軸流式調(diào)節(jié)閥的設(shè)計與試驗研究

張玉斌 王虎斌 張向陽

（1.東營港有限責任公司；2.西安航天遠征流體控制股份有限公司）

軸流式調(diào)節(jié)閥是長輸管線上重要的調(diào)節(jié)和安全設(shè)施，其作用是減少長輸管線輸油過程中因管路落差大、意外突然停泵或閥門緊急關(guān)斷而造成管路超壓的情況，避免管線發(fā)生破裂事故。 目前，軸流式調(diào)節(jié)閥主要依賴進口，雖然質(zhì)量較好，但供貨周期長、價格貴，尤其是若售后服務(wù)不及時，可能會給企業(yè)造成巨大經(jīng)濟損失甚至對國家能源安全造成威脅。 為了降低原油管道工程建設(shè)和運營成本，擺脫對進口技術(shù)的依賴，勢必要開展軸流式調(diào)節(jié)閥的研制工作。

軸流式調(diào)節(jié)閥相關(guān)文獻均以安裝使用、故障維護等的研究為主［1～3］，不能為軸流式調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計和結(jié)構(gòu)改進提供可靠的理論指導依據(jù)。 筆者在對原油長輸管線閥門使用要求和現(xiàn)場閥門使用情況充分調(diào)研的基礎(chǔ)上，按照相關(guān)國際標準和規(guī)范的要求，完成了一種典型規(guī)格軸流式調(diào)節(jié)閥的設(shè)計、研制并進行了試驗，摸清了產(chǎn)業(yè)化工藝路線，為后續(xù)產(chǎn)品的系列化和產(chǎn)業(yè)化打下了堅實的基礎(chǔ)。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 主要技術(shù)指標

軸流式調(diào)節(jié)閥主要技術(shù)指標如下：

公稱通徑 DN450 mm

壓力等級 CL600

使用介質(zhì) 原油

泄漏等級 IEC 60534 Ⅴ

固有流量特性 近似等百分比

額定流量系數(shù) 3 600

驅(qū)動方式 氣動

1.2 工作原理

軸流式調(diào)節(jié)閥通過閥芯與閥籠之間相對流通面積的改變，來實現(xiàn)對介質(zhì)壓力、流量的調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)時，介質(zhì)從閥門入口進入閥體內(nèi)腔，經(jīng)流線型導流罩的疏導作用將流體引入環(huán)形流道。 當調(diào)節(jié)管道流量或壓力時，給執(zhí)行器施加4～20 mA 控制信號， 執(zhí)行器帶動閥桿通過斜齒條傳動機構(gòu)，使閥芯組件左右往復運動，進而改變閥籠上的流通面積，最終達到調(diào)節(jié)管路流量或壓力的目的。

1.3 設(shè)計方案

軸流式調(diào)節(jié)閥主要由閥體、 閥芯、 閥桿、推桿、套筒、導向套、壓蓋、壓緊法蘭及執(zhí)行器組件等組成，其整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 軸流式調(diào)節(jié)閥整體結(jié)構(gòu)

1.4 結(jié)構(gòu)特點

1.4.1 軸流式流道設(shè)計

軸流式調(diào)節(jié)閥閥體內(nèi)腔是軸向?qū)ΨQ的直線型流道，采用整體鑄造成型，閥籠和閥芯在閥體內(nèi)腔沿閥體軸向放置， 流體在通過調(diào)節(jié)閥的過程中流向改變較為平緩，流動阻力小，通流能力強［3］，完全避免了間接流和不必要的流向改變，降低了噪音、減少了紊流的形成。

1.4.2 閥芯壓力平衡結(jié)構(gòu)設(shè)計

閥芯端面設(shè)有平衡孔，使閥芯內(nèi)、外壓力平衡， 可以減小介質(zhì)作用在閥芯上的不平衡力，不易引起閥芯的振蕩，使用規(guī)格相對較小的執(zhí)行機構(gòu)就能滿足使用要求。

1.4.3 閥內(nèi)運動部件的表面處理

軸流式調(diào)節(jié)閥內(nèi)件中，推桿、閥桿、閥芯及導向套等需具有較強的耐磨性、耐蝕性，且要求摩擦系數(shù)小。 原油介質(zhì)的腐蝕主要為硫化氫腐蝕，因此閥內(nèi)零部件的表面處理需提高相應(yīng)的抗腐蝕性能。 采用可控離子滲入 （Programmable Ion Permeation，PIP）技術(shù)，對推桿、閥桿、閥芯及導向套等運動件進行表面處理。

2 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 自緊式閥座密封結(jié)構(gòu)

軸流式調(diào)節(jié)閥閥座密封要求高，在使用過程中應(yīng)具有耐沖刷、 耐腐蝕及良好的密封性等特性，筆者采用了組合式徑向軟密封結(jié)構(gòu)和特殊設(shè)計的密封溝槽結(jié)構(gòu)（圖2）。 彈性O(shè) 形圈在介質(zhì)壓力作用下， 尤其是環(huán)形間隙兩側(cè)壓差增大時，在有限的空間內(nèi)，彈性O(shè) 形圈產(chǎn)生變形，壓迫異形環(huán)沿徑向方向向內(nèi)收縮，夾固在凹槽底與閥芯之間，實現(xiàn)密封。 經(jīng)試驗，該結(jié)構(gòu)可實現(xiàn)閥座關(guān)閉零泄漏。

圖2 閥座密封結(jié)構(gòu)

2.2 90°角式傳動機構(gòu)設(shè)計

傳動機構(gòu)的作用是將執(zhí)行器輸出的豎直方向的運動轉(zhuǎn)化為閥桿、閥芯水平方向的運動［4］。推桿與閥桿構(gòu)成一個90°的角式傳動機構(gòu)， 推桿與閥桿上的45°斜齒條相互嚙合，推桿上下傳動，帶動閥桿和閥芯在全行程上左右運動。 斜齒條承載能力大、傳動平穩(wěn)、傳動精度高，且傳動過程中噪音小。 圖3a 為軸流式調(diào)節(jié)閥傳動機構(gòu)工作原理，圖3b 為推桿、閥桿樣件。

圖3 90°角式傳動機構(gòu)

3 仿真計算

3.1 閥體強度分析

閥體強度是閥門承壓的關(guān)鍵參數(shù)， 運用ANSYS 軟件對閥體強度進行分析，閥體內(nèi)腔壓力設(shè)置為15 MPa，計算閥體的形變和應(yīng)力。 圖4 為軸流式調(diào)節(jié)閥閥體強度計算云圖。

圖4 軸流式調(diào)節(jié)閥閥體強度計算云圖

結(jié)果表明，閥體的最大形變約為0.17 mm，位于兩加強筋的連接處；應(yīng)力最大約為165.84 MPa，位于加強筋與閥體的連接處。 經(jīng)分析，最大形變和最大應(yīng)力均符合GB/T 17213—2015《工業(yè)過程控制閥》、GB/T 4213—2008 《氣動調(diào)節(jié)閥》 的要求，閥體強度滿足要求。

3.2 閥芯剛度分析

閥芯剛度是閥芯結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵參數(shù)，運用ANSYS 軟件對閥芯剛度進行仿真分析，閥芯外圓面設(shè)置壓力為10 MPa， 計算閥芯的形變和應(yīng)力。圖5 為軸流式調(diào)節(jié)閥閥芯剛度計算云圖。

圖5 軸流式調(diào)節(jié)閥閥芯剛度計算云圖

結(jié)果表明，閥芯的最大形變約為0.05 mm，位于閥芯的中間位置；應(yīng)力最大為80.08 MPa，位于閥芯平衡孔連接處。 經(jīng)分析，最大形變和最大應(yīng)力均符合GB/T 17213—2015《工業(yè)過程控制閥》、GB/T 4213—2008《氣動調(diào)節(jié)閥》的要求，閥芯剛度滿足要求。

3.3 流場計算

利用實體建模軟件建立了DN450 mm、CL600 軸流式調(diào)節(jié)閥的流道模型［5～8］，得到了閥門10%～100%各開度下的流道模型。 入口段管道與出口段管道部分均根據(jù)相關(guān)標準進行了延長，入口段延長2 倍的閥門公稱通徑，出口段延長6 倍的閥門公稱通徑。

運用CFD 仿真軟件對軸流式調(diào)節(jié)閥內(nèi)流道模型進行仿真［9～12］，設(shè)置入口壓力為1.0 MPa，出口壓力為0.9 MPa， 介質(zhì)為水， 分別計算了閥門10%～100%共10 個開度下的流量系數(shù)（表1）。 閥門開度為50%和100%的速度場云圖如圖6 所示。

圖6 不同閥門開度下的速度場云圖

表1 軸流式調(diào)節(jié)閥流量系數(shù)

分析軸流式調(diào)節(jié)閥流道速度場云圖可知，在小開度時，節(jié)流比較明顯；在大開度時，流場比較均勻、穩(wěn)定。

根據(jù)GB/T 17213.10—2005 《工業(yè)過程控制閥 第2-4 部分：流通能力 固有流量特性和可調(diào)比》實際固有流量特性與制造商規(guī)定的固有流量特性之間的允許偏差， 計算了固有流量特性上、下偏差，擬合了圖7 所示的曲線。

圖7 軸流式調(diào)節(jié)閥流量系數(shù)曲線

經(jīng)分析，閥門流量特性曲線基本呈近似等百分比特性，且均包容在固有流量特性上、下偏差范圍內(nèi)，滿足設(shè)計要求。

4 試驗研究

為充分考核經(jīng)PIP 表面處理過的零件的耐原油腐蝕性、耐磨性等特性，開展了介質(zhì)相容性試驗。 將經(jīng)PIP 表面處理的樣件浸泡在原油介質(zhì)中，并置于一密閉工裝容腔內(nèi)，保持試驗狀態(tài)為恒溫50 ℃，持續(xù)30 天，對介質(zhì)相容性進行試驗考核，相容性試驗照片如圖8 所示。

圖8 介質(zhì)相容性試驗

對浸泡后的PIP 樣件進行外觀檢查和尺寸測量，并對其外觀、尺寸和硬度與浸泡前進行對比，結(jié)果列于表2。

表2 測試結(jié)果對比

試驗結(jié)果表明，在原油介質(zhì)中，經(jīng)PIP 表面處理的樣件各項性能參數(shù)相容性良好，可保證閥門在原油工況下正常、可靠工作。

5 結(jié)束語

研制的軸流式調(diào)節(jié)閥在流線型流道結(jié)構(gòu)、平衡式閥芯結(jié)構(gòu)及閥內(nèi)動密封等方面進行了優(yōu)化設(shè)計，采用了自緊式閥座密封結(jié)構(gòu)、90°角式傳動機構(gòu)、閥內(nèi)件零件表面PIP 處理等關(guān)鍵技術(shù)。 通過試驗、驗證，結(jié)果表明所設(shè)計的軸流式調(diào)節(jié)閥技術(shù)性能符合相關(guān)標準的要求，可為長輸油管線軸流式調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計和結(jié)構(gòu)改進提供可靠的理論指導依據(jù)。