夾板閥改型優(yōu)化設(shè)計(jì)

石巖

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2017.11.067

摘 要：為進(jìn)一步改善和提高夾板閥在使用過程中操作安全性、工作效率以及后期維護(hù)易損件的快速互換性；通過收集和分析一線操作者的反饋信息對(duì)傳統(tǒng)夾板閥進(jìn)行結(jié)構(gòu)改型優(yōu)化設(shè)計(jì)；試驗(yàn)表明啟閉功能完全能夠滿足使用需求且維護(hù)快捷，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡潔新穎、安全穩(wěn)定尤其是在造價(jià)成本上無論是改造還是重新加工制造都得到了節(jié)約，同時(shí)也為進(jìn)一步設(shè)計(jì)和制造高技術(shù)含量管道夾板閥積累技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，這對(duì)從事管道開孔、封堵施工作業(yè)能力的提高也具有一定幫助作用。

關(guān)鍵詞：夾板閥 旁通閥 互換性 浮動(dòng)密封 強(qiáng)度計(jì)算

中圖分類號(hào)：TM304 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）04（b）-0067-02

夾板閥是石油天然氣管線維搶修、管線建設(shè)施工中開孔和封堵施工作業(yè)中的重要設(shè)備，配合三通、開孔機(jī)、封堵缸以及結(jié)合器完成管線開孔、封堵，從而進(jìn)行旁通引流斷管改線等施工任務(wù)的專用閥門，其密封性、操作方式以及應(yīng)急維護(hù)等方面的優(yōu)劣對(duì)管線施工有重要的影響。針對(duì)傳統(tǒng)夾板閥存在的一些潛在失效模式進(jìn)行定性預(yù)定量分析，并結(jié)合力學(xué)模型進(jìn)行校核計(jì)算，確定保證強(qiáng)度穩(wěn)定性機(jī)械幾何結(jié)構(gòu)。

1 設(shè)計(jì)原理分析

1.1 技術(shù)背景

夾板閥又稱三明治閥，主要由閥體、閥芯及驅(qū)動(dòng)閥芯啟閉的絲杠或液壓系統(tǒng)組成，目前經(jīng)常使用的老式夾板閥主要以三片式結(jié)構(gòu)為主，即由上下閥體和閥芯組成，密封形式是在閥芯兩側(cè)上加工凹槽通過壓圈固定O型圈，此種硬性密封僅能實(shí)現(xiàn)單向密封，也就是說，單側(cè)受壓力作用僅有一道密封起作用，當(dāng)閥芯兩側(cè)壓力不能達(dá)到100%平衡時(shí)，驅(qū)動(dòng)閥芯可能會(huì)導(dǎo)致受力側(cè)密封圈被剪切造成泄露風(fēng)險(xiǎn)；其次中腔未和上下閥腔壓力平衡孔連通也有可能存在憋壓現(xiàn)象，導(dǎo)致啟閉閥芯困難；再次針對(duì)一些進(jìn)口的夾板閥，為防止在工作狀態(tài)下意外拆卸旁通閥造成事故，將旁通閥通過腔體平衡孔中的定位管鎖定，雖然提高了安全系數(shù)，但是在進(jìn)行壓力試驗(yàn)或是在施工現(xiàn)場當(dāng)旁通閥O型密封圈出現(xiàn)損壞泄露時(shí)，需要拆卸整個(gè)閥體，才可以更換所以部件互換性較差，無形中增加勞動(dòng)工作量尤其在緊急情況下嚴(yán)重影響工程進(jìn)度。

還有一種比較常用的焊接式三片夾板閥，此種形式有值得學(xué)習(xí)和借鑒地方就是采用浮動(dòng)雙向密封、雙道密封來防止由于密封圈剪切造成泄漏。但是浮動(dòng)調(diào)節(jié)量基本是一個(gè)定值，不能實(shí)現(xiàn)線性可調(diào)控制彈簧壓縮量，其結(jié)構(gòu)形式是用卡環(huán)片插入浮動(dòng)環(huán)圓周槽內(nèi)，通過螺釘固定在閥體凹槽內(nèi)，在工作狀態(tài)下浮動(dòng)環(huán)與閥芯密封的接觸間隙應(yīng)為0.5mm，如此小的量值主要受彈簧的理論壓縮量計(jì)算值、浮動(dòng)環(huán)厚度、閥體凹槽深度3個(gè)因素影響，變量因素較多，制造、裝配影響不便于精準(zhǔn)控制。尤其是在裝配時(shí)測量所有均布彈簧壓縮高度值，若彈簧過長壓縮量過多浮動(dòng)環(huán)與閥體件相互作用力過大導(dǎo)致閥芯啟閉困難密封圈受剪切損壞；若彈簧壓縮量過小，自身作用力未能起到支撐閥芯的目的，當(dāng)閥芯受到管道中介質(zhì)作用力抵消時(shí)大于彈簧力，導(dǎo)致受力側(cè)不能密封僅是未受力側(cè)單道密封。此外，旁通閥仍使用錐體硬機(jī)械密封且密封面在閥體本身，當(dāng)閥體椎體密封面損壞時(shí)維修閥體的經(jīng)濟(jì)成本也相當(dāng)大，同時(shí)還需要考慮材料的可焊接性、無損檢測等方面采取嚴(yán)格有效的控制措施，因?yàn)橛泻缚p存在的地方就有可能存在一定潛在的風(fēng)險(xiǎn)，制造成本也相對(duì)較高。

1.2 設(shè)計(jì)幾何結(jié)構(gòu)

首先，針對(duì)以上問題從整體結(jié)構(gòu)重要功能性分析入手，考慮重量和加工成本確定為兩片式結(jié)構(gòu)即由上下閥體和閥芯組成，由于夾板閥屬于非標(biāo)元件，根據(jù)GB 150.3將其抽象成非圓形平蓋法蘭并當(dāng)量成圓形平蓋法蘭進(jìn)行閥體厚度計(jì)算（具體計(jì)算過程收錄在參考文獻(xiàn)[1]中）；同時(shí)結(jié)合有限元和彈性力學(xué)的理論，利用ANSYS軟件進(jìn)行參數(shù)化建模，并通過帶有接觸關(guān)系的結(jié)構(gòu)有限元分析來驗(yàn)證常規(guī)算法；加工制造采用CNC整體加工成型，由于不存在焊接材料上選取許用應(yīng)力較高鉻鉬鋼鍛造進(jìn)行制造，盡可能在滿足安全可靠性的前提下降低結(jié)構(gòu)重量。外觀形式符合目前無障礙功能操作設(shè)計(jì)理念，用于緊固上下閥體的雙頭螺柱六角螺母改型設(shè)計(jì)成開槽圓形螺母裝配入閥體表面沉孔中，既滿足閥體本身強(qiáng)度要求，又不影響實(shí)際施工作業(yè)中對(duì)使用工器具操作功能的障礙影響，吊裝設(shè)計(jì)一改傳統(tǒng)吊環(huán)螺釘?shù)跹b方式，增設(shè)專用吊具滿足施工現(xiàn)場整體水平、傾斜吊裝及二次搬運(yùn)的安全性和便捷性。

其次，從安全角度考慮密封形式為浮動(dòng)雙向雙道密封，具體結(jié)構(gòu)上一版分析試驗(yàn)樣圖首先采用依靠上下閥體嵌入式碟形彈簧來控制裝有密封圈的浮動(dòng)環(huán)與閥芯間隙實(shí)現(xiàn)密封，碟形彈簧是在軸向上呈錐形并承受負(fù)載的特殊彈簧，在承受負(fù)載變形后，儲(chǔ)蓄一定的勢能，當(dāng)浮動(dòng)環(huán)與閥芯間隙過大時(shí)，碟形彈簧釋放部分勢能以保持壓力間隙達(dá)到密封要求。碟形彈簧應(yīng)力分布由里到外均勻遞減，能夠?qū)崿F(xiàn)低行程高補(bǔ)償力的效果。雖然結(jié)構(gòu)形式簡單但是由于單片碟形彈簧負(fù)載變形特性曲線呈非線性關(guān)系，其變形量和負(fù)荷值往往不能滿足負(fù)載較大時(shí)夾板閥的使用要求，也就是說要微調(diào)控制其有效行程比較困難。經(jīng)過二次分析論證最終采用常規(guī)圓柱螺旋壓縮彈簧，在浮動(dòng)環(huán)徑向外側(cè)設(shè)有密封圈與閥體配合密封，一側(cè)端面加工鑲嵌密封圈凹槽并用密封壓環(huán)固定，另一側(cè)圓周均布設(shè)置安裝彈簧的螺紋孔，再將封裝彈簧放置入孔中蓋上旋帽通過旋轉(zhuǎn)外螺紋環(huán)調(diào)整彈簧至計(jì)算壓縮量的適當(dāng)高度，最后將浮動(dòng)環(huán)部件整體裝入閥體并用定位塊鎖定，此種方式僅需要控制調(diào)節(jié)彈簧旋帽高度即可，影響因素較少并且可控，即使存在一定加工精度誤差，通過調(diào)節(jié)也可彌補(bǔ)誤差，實(shí)現(xiàn)對(duì)彈簧線性連續(xù)微量調(diào)節(jié)。優(yōu)化設(shè)計(jì)后的浮動(dòng)環(huán)結(jié)構(gòu)將密封圈、彈簧及其調(diào)節(jié)件集成于一體，實(shí)現(xiàn)密封、可微調(diào)封裝式結(jié)構(gòu)，確保閥芯兩側(cè)均一直處于均衡受力始終保持雙道密封狀態(tài)，導(dǎo)軌主要起到導(dǎo)向的作用這樣可以使閥芯啟閉順暢自如，不會(huì)出現(xiàn)卡塞現(xiàn)象。

最后，以便后期保養(yǎng)維護(hù)角度考慮，在壓力平衡裝置旁通閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，將其設(shè)計(jì)成獨(dú)立密封結(jié)構(gòu)，錐形閥針與其配合密封的錐形孔體通過雙層螺紋裝配，密封錐面單體零件便于在數(shù)控機(jī)床上加工制造及表面熱處理，當(dāng)部件出現(xiàn)損壞時(shí)可以整體更換，從而不用在閥體上加工錐形密封面，降低加工難度，裝配時(shí)閥座從閥體內(nèi)部圓形定位孔裝入，閥體及閥針從閥體外側(cè)裝入閥體定位孔中，旋轉(zhuǎn)端蓋螺母將閥座閥體擰緊，并將端蓋用螺釘緊固于閥體上。實(shí)際操作時(shí)在閥體外側(cè)旋擰閥針使上下閥體壓力平衡，同時(shí)也不會(huì)因機(jī)械震動(dòng)導(dǎo)致螺紋松動(dòng)或意外人為拆卸造成危險(xiǎn)事故，進(jìn)行壓力試驗(yàn)及現(xiàn)場維護(hù)更換方便，不依賴整個(gè)閥體。

2 結(jié)語

通過前期試驗(yàn)以及在石油天然氣管道開孔、封堵施工應(yīng)用中的反饋信息表明，公稱通徑DN300以上均可采用改型后的兩片式浮動(dòng)雙道密封夾板閥結(jié)構(gòu)配合機(jī)械螺紋驅(qū)動(dòng)，DN500以上考慮到受力較大不便于機(jī)械驅(qū)動(dòng)，可采用液壓驅(qū)動(dòng)性能良好，且適用于各種高、中、低壓的不同壓力等級(jí)，無論是靜態(tài)密封還是機(jī)械帶負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性等各項(xiàng)性能指標(biāo)可以滿足使用要求，維修、拆裝方便，結(jié)構(gòu)簡易，備件集成化程度高，互換性較好，大大提高了施工作業(yè)效率，反應(yīng)效果良好。

參考文獻(xiàn)

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