一種楔式閘閥變形與密封研究及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

姜 峰 楊鼎瑞 吳業(yè)飛

（1.蘭州理工大學(xué)a.石油化工學(xué)院；b.溫州泵閥工程研究院；2.凱喜姆閥門有限公司）

閥門作為一種流體管路附件，在工業(yè)領(lǐng)域中隨處可見［1］。閘閥是閥門產(chǎn)品中常見的類型之一，因具有強(qiáng)制密封性好、抗振性高及流阻小等優(yōu)點(diǎn)，可適應(yīng)高溫高壓等工作環(huán)境，廣泛應(yīng)用于石油化工、煤化工等行業(yè)［2］。隨著對能源的需求不斷提升，為滿足石油化工輸送管線的發(fā)展需要，對管道部件閥門的需求日益突出［3］。

筆者以NPS8—Class300楔式閘閥為研究對象，在閘閥殼體力試驗(yàn)下分別分析了閘體變形和密封情況，并進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 密封性能評價(jià)模型

楔式閘閥主要是通過介質(zhì)壓力擠壓閘板，使閘板與流出端閥座貼合，從而截?cái)嗔黧w介質(zhì)。閥座與閘板在介質(zhì)壓力下接觸形成的接觸面起到主要的密封作用，閘閥密封結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 閘閥密封結(jié)構(gòu)

由于閘閥密封是通過閘板與閥座貼合形成密封面完成的，而閥座的尺寸遠(yuǎn)小于閘體和閘板，這導(dǎo)致閘閥的泄漏通常發(fā)生在閘板與閥座的密封面處。密封性能對于閘閥非常重要，也是閥門的重要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，而密封比壓則是判斷閥門是否滿足密封的重要指標(biāo)。密封比壓需滿足［4］：

式中 q0——密封必須比壓，MPa；

q——實(shí)際比壓，MPa；

［q］——材料的許用比壓，MPa。

在式（1）中，密封必須比壓q0的計(jì)算公式為：

式中 a、c——密封材料系數(shù)，鑄鐵材料a=3，c=1；

b——密封面寬度，mm；

m——流體介質(zhì)系數(shù)，m=1；

P——公稱壓力，MPa。

閘體材料為碳鋼（WCB），故［q］=120.69MPa，閥座設(shè)計(jì)密封面寬度為6mm，Class300對應(yīng)的公稱壓力P=5MPa，則q0=3.266MPa。

2 閘閥有限元仿真

一款閥門從設(shè)計(jì)到制作完成需要進(jìn)行多次測試，其中殼體壓力試驗(yàn)和密封壓力試驗(yàn)是非常重要的兩次試驗(yàn)［5］。以NPS8—Class300楔式閘閥的初始設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，運(yùn)用ANSYS有限元分析軟件對閘閥閘體的變形、閥座和閘板密封性進(jìn)行仿真模擬。

2.1 仿真參數(shù)

根據(jù)閘閥原始設(shè)計(jì)尺寸建模，閘閥整體結(jié)構(gòu)具有對稱性，分析時(shí)選用1/2結(jié)構(gòu)模型（圖2）以提高運(yùn)算效率［6］。并且將閥蓋上端支架、閥桿等部件進(jìn)行省略，使它們不參與仿真分析。閥門設(shè)計(jì)主體材為是WCB，閥座材料為12Cr1MoV，具體材料性能見表1。

圖2 閘閥1/2結(jié)構(gòu)模型

表1 閘閥材料性能

2.2 接觸設(shè)置

閘板與前后閥座擠壓形成密封面，將密封接觸面設(shè)置為Frictional（摩擦接觸），摩擦系數(shù)設(shè)置為0.18［7］，進(jìn)行接觸面計(jì)算，探究密封情況。接觸算法選用增廣拉格朗日算法。增廣拉格朗日算法通過改變罰函數(shù)控制求解拉格朗日乘子的迭代［8］，因此，算法的修正勢能泛函數(shù)非常重要。計(jì)算式為：

式中 Π*——修正的泛函勢能；

Π——泛函勢能；

ΠC——接觸勢能；

ΠP——懲罰勢能。

隨著接觸狀態(tài)不斷變化，由式（3）取變分及駐值，得到相對應(yīng)的控制方程為：

式中 F——響應(yīng)載荷向量；

G——位移約束矩陣；

g0——初始瞬態(tài)間隙值；

K——剛度矩陣；

U——位移矩陣；

λ——拉格朗日乘子。

根據(jù)算法的物理意義，拉格朗日乘子能夠選用接觸應(yīng)力來代替該接觸點(diǎn)，并通過迭代計(jì)算，提高收斂性，得到對應(yīng)點(diǎn)解。

3 閘閥殼體壓力試驗(yàn)仿真

殼體壓力試驗(yàn)可測試閥體在超過一定限度工作壓力下的變形情況，以確定閥體設(shè)計(jì)是否能夠達(dá)到剛度要求，從而避免因?yàn)殚y體變形過大導(dǎo)致的失效。

為探究閘閥變形情況，網(wǎng)格劃分采用體網(wǎng)格法，根據(jù)閘閥部件大小確定不同網(wǎng)格尺寸。具體為：閥體為10mm，閥蓋為5mm，密封圈為1mm。共劃分節(jié)點(diǎn)數(shù)355 045，網(wǎng)格統(tǒng)計(jì)平均值0.829，約束條件為：閥門端法蘭兩端與管道連接設(shè)置為固定約束，閥體與閥蓋中法蘭添加13 898N螺栓力約束，模型剖面添加無摩擦約束以避免應(yīng)力集中。

產(chǎn)品在設(shè)計(jì)中需要預(yù)留一定的使用余量，以避免在超過正常使用壓力一定范圍內(nèi)出現(xiàn)極端變形情況，甚至閥體發(fā)生炸裂。閥門的殼體壓力試驗(yàn)在閥門工作壓力的1.5倍壓力條件下進(jìn)行。在殼體壓力試驗(yàn)?zāi)M中，閘閥與介質(zhì)的接觸面添加7.5MPa介質(zhì)壓力，壓力試驗(yàn)變形情況結(jié)果如圖3所示。

圖3 閘閥殼體壓力試驗(yàn)變形情況

由圖3a可以看到，閘閥最大變形位于閘體兩端側(cè)面紅色部分。此處受到介質(zhì)壓力直接作用，產(chǎn)生的變形量最大。閥體的最大變形量為0.091 175mm，不足0.1mm，閘體剛度滿足材料使用性能，即閘體厚度滿足壓力等級下的使用要求。將產(chǎn)品樣機(jī)進(jìn)行殼體壓力試驗(yàn)，與仿真結(jié)果進(jìn)行對比，結(jié)果見表2，殼體試驗(yàn)測量閘閥中法蘭處變形量為0.008mm。

表2 閘閥中法蘭處變形量

通過殼體試驗(yàn)可以得到中法蘭處變形量，與仿真分析中法蘭上端、中間、下端3點(diǎn)變形平均值0.008 014mm（圖3b）進(jìn)行對比。模擬變形量與試驗(yàn)測量值幾乎相同，模擬結(jié)果與實(shí)際情況相符，模擬結(jié)果可以接受。

4 閘閥密封壓力試驗(yàn)及閥座優(yōu)化

閘閥主要由5部分構(gòu)成，包括閥桿、閥蓋、閥座、閘板和閥體，其中閘板和閥座為閘閥密封元件。當(dāng)閘閥處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，運(yùn)輸介質(zhì)從上游流入閥體，并且通過上游側(cè)閘體與閥座的接觸面間隙進(jìn)入閥腔。閘板受到流入側(cè)介質(zhì)壓力作用產(chǎn)生微小軸向位移，進(jìn)而擠壓流出側(cè)閥座。閘閥依靠閥座和閘板的接觸面在介質(zhì)壓力和接觸面摩擦力共同作用下形成密封面，達(dá)到密封效果。

4.1 密封試驗(yàn)分析

閘閥的密封是通過閘板與閥座擠壓形成密封面來完成的，所以密封性能分析以閘板和閥座密封面為主［9］。

為探究閘閥密封情況，網(wǎng)格采用體網(wǎng)格加接觸面加密網(wǎng)格，閘板為10mm，閥座為2mm，接觸面加密網(wǎng)格為5mm，共產(chǎn)生節(jié)點(diǎn)81 954，網(wǎng)格質(zhì)量為0.786。

為了避免正常工作壓力的微小上升導(dǎo)致的閥門密封失效，密封壓力試驗(yàn)同樣需要將設(shè)計(jì)余量考慮在內(nèi)進(jìn)行測試。密封壓力試驗(yàn)在工作壓力1.1倍壓力條件下進(jìn)行。所以在與運(yùn)輸介質(zhì)接觸的面添加5.5MPa介質(zhì)壓力。密封壓力試驗(yàn)仿真結(jié)果，最大密封比壓為132MPa，在閘板上下兩端（圖4）。

圖4 優(yōu)化前密封比壓分布

由圖4可以看出，最大密封比壓為132MPa，超過材料許用應(yīng)力，可能產(chǎn)生裂紋甚至損壞。閘板與閥座在中間位置部分（深藍(lán)色區(qū)域）密封比壓小于必須比壓3.266MPa，故該處密封比壓不足。并且此處密封面中只有很小一部分滿足密封比壓，故該處容易產(chǎn)生內(nèi)漏。

4.2 閥座密封優(yōu)化

為防止密封比壓不足產(chǎn)生的泄漏，對密封副部件閥座進(jìn)行結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化。文獻(xiàn)［6，7］通過增大閥座厚度、密封面寬度等方式提升剛度，降低應(yīng)力，研究多基于某一定值優(yōu)化，沒有探究其變化對密封的影響規(guī)律。

結(jié)合相關(guān)學(xué)者的研究，選擇閥座結(jié)構(gòu)尺寸中閥座厚度l、密封面寬度b、密封面起始高度d共3個(gè)參量作為優(yōu)化對象。建模時(shí)對3個(gè)參量尺寸進(jìn)行參數(shù)化定義，運(yùn)用ANSYS Workbench軟件Design Exploration功能，探究這3個(gè)參量對密封性能的影響。根據(jù)原始NPS8—Class300楔式閘閥設(shè)計(jì)，在原有尺寸基礎(chǔ)的一定范圍內(nèi)，運(yùn)用CCD試驗(yàn)方法探究結(jié)構(gòu)參量對密封的影響。閥座結(jié)構(gòu)參量取值見表3。

表3 閥座結(jié)構(gòu)參量取值 mm

通過CCD試驗(yàn)法可以得到3個(gè)參量對密封比壓的影響情況。其中閥座厚度和密封面起始高度對密封比壓影響很小，與密封面寬度相比可以忽略不計(jì)。

在分析區(qū)間內(nèi)，各參數(shù)對密封比壓的影響如圖5所示。可以看出，當(dāng)密封面寬度大于7mm時(shí)，密封比壓隨著密封寬度的增加變化很小，此時(shí)的密封面應(yīng)力分布較均勻，密封比壓趨于穩(wěn)定。當(dāng)密封寬度較小時(shí)，密封比壓隨著密封寬度的減小迅速增大。這是由于密封寬度過小，導(dǎo)致密封面出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，密封比壓迅速增加。尤其密封寬度在區(qū)間端點(diǎn)3mm時(shí)，密封比壓已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過材料許用應(yīng)力。

圖5 3個(gè)參量對密封比壓的影響

對密封面寬度和密封比壓趨勢進(jìn)行擬合，關(guān)系式為：

其擬合優(yōu)度R2＞0.99，說明擬合效果很好。

根據(jù)優(yōu)化后尺寸建模，通過模擬得到其形密封比壓分布情況（圖6），相比優(yōu)化前，密封比壓分布更均勻，閘板中間部位密封比壓有所提升，有明顯的淡綠色壓力帶（11MPa）大于必須比壓，滿足密封要求。結(jié)果表明：優(yōu)化后的閘閥密封面最大密封比壓為99.788MPa，滿足材料使用要求，最大壓力降低了24.4%。

圖6 優(yōu)化后密封比壓分布

5 結(jié)論

5.1 根據(jù)閘閥殼體壓力試驗(yàn)情況，楔式閘閥閘體兩端側(cè)面變形最大，此處受到介質(zhì)壓力作用最強(qiáng)。模擬值與殼體壓力試驗(yàn)結(jié)果值幾乎相同，模擬結(jié)果可信。原始設(shè)計(jì)的NPS8—Class300閘體強(qiáng)度滿足殼體壓力測試要求剛度，在7.5MPa壓力下最大變形量為0.091 175mm，不足0.1mm，滿足使用要求。

5.2 根據(jù)閘閥密封壓力試驗(yàn)情況，閘閥密封面上下兩端密封比壓最大，中間位置處密封比壓最小，易出現(xiàn)泄漏。密封比壓隨密封寬度的增加先快速降低，當(dāng)密封面寬度大于7mm后趨于平緩；密封比壓隨密封面起始高度的升高而微小增大。

5.3 閥座結(jié)構(gòu)優(yōu)化后密封面比壓分布更加均勻，最大比壓99.788MPa滿足材料使用要求，避免密封面被壓壞，提升了閘閥密封可靠性。