基于有限元分析的多路閥活閥座密封結構設計

張博文，郭玉生

（北京航天石化技術裝備工程有限公司，北京 100176）

0 引言

隨著全球石油市場的動蕩和石油價格的攀升，煤炭作為儲量巨大并且可能替代石油的資源受到越來越多的重視，通過化學加工手段可以使煤轉化為各種燃料和化工產品。懸浮床加氫工藝是煤直接液化的有效途徑，可以將煤轉化為各種氣體燃料、人造石油以及化學產品等，其反應產物必須經過減壓，減壓站位于熱高壓分離器后，需將懸浮床熱高壓分離罐來的熱高分油（含固）進行減壓。減壓站擁有獨立入口，入口處安裝有1 臺2500 磅、8 英寸四通閥，1 入口3 出口，工作時閥門一路打開，兩路備用，對其中一條備用路線進行加熱保溫（一開兩備、一條熱備、一條冷備）。由于使用條件苛刻，該四通閥長期依賴進口，閥門及備件價格十分昂貴。介質易燃易爆，溫度高達425 ℃，其中夾雜有高硬度固體顆粒，閥門工作壓力高達23 MPa，當管路切換時需要實現嚴密切斷，惡劣的工況為閥門的密封系統提出了苛刻要求。在夾雜高硬度固體顆粒的惡劣的工況下，介質對閥座的沖刷較為嚴重，為便于日后密封面硬質合金的修復閥門采用活閥座設計，活閥座設計雖然便于后期更換及維修，但這相當于在閥體及閥座之間增添了一處漏點，在高溫高壓工況下零件容易發生變形，因此活閥座與閥體間的密封尤為重要。

1 活閥座纏繞墊密封系統簡介

該閥門開關位均可做到強制密封，開位密封面與填料函為一體化設計，關位密封面位于活閥座處，轉接法蘭、填料函、與閥體3 者通過螺栓、螺母壓緊，活閥座被填料函壓緊在閥體內，填料函及活閥座處加工有纏繞墊溝槽用以安裝纏繞墊，防介質泄漏至閥體閥座之間，槽深3.3 mm、槽寬7 mm，閥體外部包裹保溫棉以減小閥門內外溫差以及工況冷熱交變對閥門的影響（圖1）。

圖1 閥門密封系統

2 纏繞墊溝槽深度設計

金屬纏繞墊由纏繞鋼帶與各種填充料交替纏繞而成，石墨金屬纏繞墊適用于高溫、高壓環境，纏繞墊溝槽的深度和各種操作條件下的壓緊應力是影響纏繞墊密封性能的關鍵因素。

活閥座需承受來自柱塞桿的密封壓力、熱應力及介質壓力，且零件整體外形接近薄壁圓筒，整體零件強度較低，因此要對其強度進行校核。在復雜工況下，零件和各個壓緊螺栓由于受介質壓力、溫差產生的熱應力、外力及彎矩的影響，可能產生不均勻變形，若變形量過大，則纏繞墊回彈亦無法滿足密封壓強，因此須對纏繞墊溝槽附近形變及纏繞墊上、下壓緊面間位移進行分析。該閥門纏繞墊溝槽設計深度為3.3 mm，意味著在理想狀態下，纏繞墊上下壓緊面設計間距也為3.3 mm，在實際工況下保持好這一間距意味著纏繞墊才能有效密封。分別根據閥門開、熱備、冷備3 種不同的操作狀態對活閥座的強度及上、下壓緊面沿軸向位移進行有限元分析。

2.1 活閥座強度校核

活閥座纏繞墊溝槽內壁厚度僅為10 mm，此處較為薄弱，分析3 種操作狀態下此處內應力分布（圖2）。

圖2 閥座纏繞墊溝槽附近應力分布云圖

閥門介質最高溫度可達400 ℃，雖然閥體外表面大部分區域包覆保溫棉，但保溫棉并非完全絕熱，且閥體法蘭面、填料函、轉接法蘭均暴露于空氣中，因此必須考慮閥門零件溫差所帶來的熱應力。當閥門處于開位時，閥座處關位密封面不受來自柱塞的載荷，受閥門內外溫差影響存在熱應力，但整體應力較小，最大應力處僅為66 MPa，位于閥座圓筒薄壁處；在熱備狀態下，此支路閥門處于關位狀態，關位密封面收到來自柱塞的載荷，同時也受熱應力影響，其最大應力達到131 MPa；而在冷備狀態此處應力分布與熱備狀態相近，密封面附近最大應力達到134 MPa。在熱備狀態下閥體及內件被加熱到與介質相近的溫度，雖然密封系統整體溫度較高，但零件之間及零件內部溫差較小，而在冷備狀態下閥門內部與介質接觸位置溫度較高，而暴露于空氣中的位置溫度較低，整個密封系統溫差較大，因此冷備狀態下最大應力比熱備狀態下最大應力稍高。閥門開位及關位密封面處堆焊有特殊硬質合金，合金抗壓耐沖蝕，硬度達到63 HRC，屈服強度＞909 MPa，且在400 ℃高溫工況下強度不受影響，密封面處最大應力遠小于其屈服強度，但此處應力狀態較為復雜，將產生不均勻形變，若形變量過大將影響纏繞墊密封，因此有必要對溝槽的形變進行分析。

2.2 壓緊面間距位移及壓緊應力

重點分析在3 種狀態下閥座處溝槽上、下壓緊面間距離與理想狀態下的偏差，此數據將直接影響纏繞墊的壓緊力（圖3）。

在3 種狀態下兩面間距離可通過測量兩面間兩點的軸向位移相減后與設計溝槽深度3.3 mm 相加獲得，將結果列于表2，其中，兩面間距離=沿軸向上壓緊面位移-沿軸向下壓緊面位移+3.3。測量圖3種狀態下上下壓緊面間距如圖4 所示，處于開位狀態的一路閥門活閥座處密封面不受來自于柱塞的壓力，此時僅靠螺母壓緊轉接法蘭及填料函，從而壓緊活閥座，受熱膨脹及纏繞墊預緊反作用力的影響，兩壓緊面間距增大0.033 mm，較理想狀態增大1%；處于熱備狀態的閥門活閥座處密封面被柱塞壓緊，兩壓緊面間距僅增大0.007 mm，較理想狀態增大0.22%，由此可見當閥門處于關位狀態時，有利于活閥座處纏繞墊的密封；處于冷備狀態的閥門活閥座處密封面被柱塞壓緊兩壓緊面間距僅增大0.003 mm，較理想狀態僅增大0.09%。對比3 種狀態可以發現，受熱膨脹影響，兩壓緊面間間距均有所增大，當閥門關閉時，即當其處于熱備或冷備狀態時受柱塞壓緊關位密封面的影響增大值較小，在熱備狀態下此溝槽附近溫度較冷備狀態高，因此兩面間距稍大。3 種狀態下對比理想狀態兩面間距增大值均較小，根據文獻［4］所提供回歸方程得出計算壓緊應力，在開位狀態下其值最小，達到88 MPa，大于纏繞墊最小有效壓緊應力70 MPa。因此從密封系統零件變形的角度考慮，該閥門三路密封系統均可對介質實現有效密封。

表2 壓緊應力表

圖3 上下壓緊面

圖4 3 種狀態下上下壓緊面間距測量圖

3 試驗驗證

現階段，帶有纏繞墊和溝槽的活閥座的閥門樣閥已完成生產裝配，打水壓46 MPa，試驗結果通過API598 標準，說明按照上述理論設計纏繞墊溝槽深度的方法是可靠的。

4 結束語

介紹2500 Lb 四通閥門活閥座處纏繞墊的溝槽深度設計，通過理論計算及有限元分析得到此處應力云圖、墊片壓縮量并計算得出壓緊應力，為纏繞墊溝槽的設計提供理論依據，該設計方法對閥門內部纏繞墊溝槽設計具有指導意義。