危化品罐車自封堵式安全截斷閥設計與分析

王偉(江蘇省特種設備安全監督檢驗研究所，江蘇 揚州 225000)

0 引言

進而21世紀以來，我國工業化進程不斷發展，工業生產中石油制品、危險化學品使用量逐年升高，其雖然在推動我國石油化工產業發展中扮演了重要角色，但同時為工業生產也帶來了更多安全風險。現階段我國運輸石油制品和危險化學品多采用由車輛底盤和罐體組成的危化品罐車，罐體上附有進液閥、液體排放閥、溢流閥、安全閥等多種閥門和管路，由于其運輸能力較強，運輸成本較低，故得到大眾廣泛青睞，但受多種因素影響，危化品罐車危化品泄漏事件屢次發生，據統計，2013—2018年，我國危化品罐車相關安全事故共發生2200余起，其中由罐車側翻、刮蹭、碰撞等因素引起的危化品泄漏事件占70%以上[1]，而傳統閥門管線等重要部件強度較低、容易損壞則是導致其發生的主要原因，故采取適當措施加強閥門管線強度，或設計出一種安全性、可靠性更高的截斷閥裝置，有效解決危化品罐車發生事故時危化品泄漏問題，其對于防止事件進一步惡化、避免發生人員傷亡具有重要意義。本文據此合理應用奧氏體不銹鋼材料設計出一款危化品罐車自封堵式安全截斷閥，其能通過在罐體內部切斷介質通道，控制介質流通，從而避免危化品泄漏發生。

1 自封堵式安全截斷閥設計

1.1 工作原理

文章設計截斷閥系屬安全防護部件，焊接于罐體閥門連接口，并置于罐體內，能配合罐體外多個閥門一同使用。危化品罐車正常運行時，截斷閥的球形閥芯依靠重力脫離密封面，此時罐體介質正常流通；發生交通運輸事故致罐體、閥門管線附件受損時，截斷閥同樣會在重力和罐體介質作用影響下，與閥座密封面共同完成密封，避免危化品泄漏；如果罐車罐體翻轉角度較小，無法通過重力作用實現危化品密封，此時可通過氣體通入口充入高壓惰性氣體，推動活塞向球形閥芯方向運動，促使球形閥芯與密封面緊密接觸，封堵介質通道，實現危化品密封[2]。

1.2 設計結構

本文設計的截斷閥主要由閥體、閥座、密封面、球形閥芯、活塞、介質通道、氣體通入口等七部分組成。閥座位于截斷閥閥體最上端，焊接于罐體閥門接口，介質由此進入閥體；密封面位于閥座下端，與閥體焊接相連；密封面下端有一介質通道，介質可在此隨意流動；氣體通入口位于閥體最下端，活塞位于氣體通入口上端，活塞與介質通道之間設置球形閥芯，球形閥芯能在閥體中自由活動。

1.3 設計特點

本文設計截斷閥主要包含以下6個特點：(1)截斷閥自密封時，僅需要借助球形閥芯重力與罐體內介質作用，屬全自動密封，不再需要借助其他外力；(2)截斷閥內部無易損零件，結構簡單，具有更高安全性和可靠性；(3)截斷閥密封屬金屬密封，對溫度、壓力的承受能力更高，適用性更為廣泛[3]；(4)截斷閥內設球形閥芯，密封狀態下球形閥芯可在錐形密封面上行轉動調整，密封副接觸屬線性密封，密封性能更高，使用壽命更長；(5)截斷閥無法通過重力實現密封時，可向氣體通入口充入高壓惰性氣體實現氣動密封；(6)截斷閥設置于罐體內，能在不影響罐體介質正常流通基礎上，提高罐車運輸安全性[4]。

1.4 材料選擇

本文以液化天然氣(LNG)為例，其主要成分為CH4，另外含有少量CH3CH3和CH2CH2CH3，常壓下，LNG密度430～470kg/m3，熔點-182℃，沸點-162℃，燃點650℃，熱值52MMBtu。LNG罐體操作壓力0.60～1.44MPa，操作溫度-162℃，如果閥門管線材質選擇不當，或閥門內部零件強度、剛度、機械性能未能達到標準，便會加大閥門管線斷裂風險，致使造成密封面泄漏[5]。為解決閥門管線材質及其內部零件強度等問題，本文設計截斷閥選材為奧氏體不銹鋼，閥體選用鑄造成型的A351CF8M(上海永龍閥門廠生產)，球形閥芯選用A182F316(無錫市威曼高登特鋼有限公司生產)，閥座和活塞均選用A479304(上海隆繼金屬制品公司生產)。

2 自封堵式安全截斷閥相關計算

2.1 閥體壁厚

本文設計截斷閥閥體壁厚14.00m，為驗證當前閥體壁厚是否符合標準，本文利用公式(1)計算閥體最小壁厚T(mm)，其中P表示閥體計算壓力(MPa)，D表示閥體計算內徑(mm)，W表示許用拉應力(MPa)，C表示腐蝕附加裕量(mm)。查閱資料發現CF8M許用拉應力為520MPa，P取0.16MPa，D取70mm，C取3mm，經計算T≈3.01mm＜14.00mm，可見本文設計截斷閥閥體壁厚滿足要求。

2.2 閥座壁厚

本文設計截斷閥閥座壁厚14.00mm，利用公式(2)驗證其是否符合閥座最小壁厚S，其中K表示系數，PN表示公稱壓力(MPa)，d表示閥座進口端最小內徑(mm)，S0表示應力集中系數(MPa)，C表示 腐 蝕 附 加 裕 量(mm)。K取1.25，PN取1.6MPa，d取50mm，S0取48.3MPa，C取4.85mm，經計算S≈4.91mm＜14.00mm，說明本文設計截斷閥閥座壁厚滿足要求。

2.3 密封面比壓

查閱發現不銹鋼材質(存在滑動摩擦力)密封面比壓標準為≤45.00MPa，利用公式(3)驗證本文設計截斷閥密封面比壓(q)是否符合標準，其中QMZ表示密封面總作用力(N)，d表示閥座進口端最小內徑(mm)，bM表示密封面線寬(mm)。QMZ取3120.56N，d取50mm，bM取0.5mm，經計算q≈39.34MPa＜45.00MPa，符合標準。

2.4 密封面接觸應力

查閱發現不銹鋼材質密封面接觸應力標準為≤850～1050MPa，本文利用公式(4)計算密封面接觸應力(σmax)，其中n3表示計算系數，F表示作用力，R1表示球形閥芯半徑，R2圓柱凹槽半徑，E1表示閥座材料彈性模量，E2表示球形閥芯材料彈性模量，V1表示閥座材料泊松比，V2表示球形閥芯材料泊 松 比。n3取0.9049，E1=E2取1.9*105MPa，V1=V2取0.3，經 計 算σmax≈786.78MPa≤850～1050MPa，符合標準。

3 閥座有限元分析

文章對閥座行有限元分析時，利用SolidWorks軟件，經歷勾畫平面草圖、實體生成、裝配體生成等3個步驟，構建閥座閥芯密封3D實體模型。

3.1 分析前處理

本文設計截斷閥焊接于罐體內部，為達到與實際情況更為接近的模擬效果，本文對閥座與罐體貼合端面即焊接面進行充分固定約束，同時需要結合公式(5)計算出外部載荷，并將其施加于閥座密封面，本文施加外部載荷量為3120.56N。

3.2 閥座材料選擇

本文在閥座有限元分析過程中，閥座材料選用304不銹鋼，材料特性包括：(1)彈性模量1.90*1011N/m2；(2)泊松比0.29；(3)密度8000kg/m3；(4)比熱500J/(kg·K)；(5)抗剪模量7.00*1010N/m2；(6)張力強度5.17*108N/m2；(7)屈服強度2.07*108N/m2；(8)熱膨脹系數1.8*105K。球形閥芯材料選用316不銹鋼，材料特性包括：(1)彈性模量1.92*1011N/m2；(2)泊松比0.30；(3)密度8027kg/m3；(4)比熱450J/(kg·K)；(5)抗剪模量8.20*1010N/m2；(6)張力強度4.85*108N/m2；(7)屈服強度1.70*108N/m2；(8)熱膨脹系數1.65*105K。

3.3 網格劃分

本文針對模型網格劃分，選用實體網格類型，自動過濾與網格自動環均處于關閉狀態，網格品質高，單元大小與公差分別為6.83472和0.34173，共包含8017個單元，涉及13131個節點，雅可比點數為4。

3.4 分析后處理

通過模型模擬實驗，對閥座點邊緣應力、連續邊緣應力、點邊緣位移、連續邊緣位移及應變進行計算。

3.5 結果

計算結果顯示，閥座密封面與球形閥芯接觸位置產生最大應力，最大應力值為3.28*107N/m2，低于閥座304不銹鋼材料最大屈服應力2.07*108N/m2，故該設計符合實際應用要求，截斷閥內部零件可實現安全工作。最大位移值與最大應變值分別為6.772*10-2mm和1.070*10-4mm，位移、應變相對較小，在實際應用中通過肉眼觀察幾乎察覺不到。

4 結語

(1)以LNG為 例，基 于LNG中CH4、CH3CH3、CH2CH2CH3等主要成分物理性質，選擇奧氏體不銹鋼作為截斷閥基礎材料，該材質零部件強度高，能夠滿足LNG儲存需求。

(2)為驗證本文設計截斷閥安全性，利用多項公式對截斷閥內部零部件相關參數進行核算，核算結果顯示截斷閥中閥體壁厚、閥座壁厚、密封面比壓及密封面接觸應力均符合不銹鋼材料相關參數標準，安全性尚佳。

(3)利用SoildWorks軟件構建閥座與球形閥芯密封3D實體模型，完成有限元分析，設計過程直觀，設計截斷閥完整性與可靠性極佳。

(4)有限元分析結果中閥座密封面與球形閥芯接觸產生最大應力，不及材料最大屈服應力，符合設計需求。