一種多功能閥門設計與分析

孟 路，黃亞軍，陳允鋒，李 林

（1.海裝駐上海地區第九軍事代表室，上海 201206；2.上海閥門廠股份有限公司，上海 201814）

隨著系統化、集成化、小型化等需求的提出，多功能閥門的需求越來越大，利用一個閥門可以替代原來的2 個、3 個甚至更多個閥門，這樣既可以縮小系統裝置的尺寸，又節約了大量的原材料。

1 基本情況

本文設計的多功能閥門的技術參數如下：公稱尺寸DN15，公稱壓力PN64，設計溫度164 ℃，安全等級SC-2，抗震類別1A，工作介質帶固體顆粒的廢水、海水，驅動方式為電動驅動。

該多功能閥門由閥體、閥瓣、彈簧、閥桿、閥蓋、填料、填料壓蓋、防轉板、緊固件和電動裝置等零部件組成，如圖1 所示。

圖1 多功能閥門結構圖

2 工作原理

多功能閥門是一種可起截止閥和止回閥的3 種作用的閥門。該閥門是把閥桿和閥瓣的連接設計成可以脫開的結構，電動裝置輸出轉矩帶動閥桿作升降動作，閥桿處于關閉位置時，閥桿可頂住閥瓣，作截止閥使用，閥門起管道介質的隔離功能；閥桿處于止回位置時，閥瓣可以自由活動，作止回閥使用，閥門起防止介質倒流的功能；當繼續開啟閥門，閥桿處于全開位置時，閥瓣被強制提起，作截止閥使用，閥門起接通管路中介質的功能。同時，電動裝置可以把這3 個位置信號（開位、止回位、關位）遠程傳輸給上一級系統。

3 結構特點

3.1 閥體的設計

閥體通道采用全尺寸通道，密封面設計成平面，降低介質通過密封面時的壓力損失。因閥瓣置于閥體內腔中，影響介質流通性能，所以采用增大閥體內腔設計，避免介質在通道內產生渦流、紊流；閥瓣最大開啟高度達到了通道尺寸的1/2 以上，其簾面積大于通道面積，這樣的組合設計可以減小閥門的流阻。閥體結構如圖2 所示。

圖2 閥體結構圖

3.2 閥座密封系統設計

閥體密封面和閥瓣密封面采用金屬材料本體，不存在電位腐蝕產生的內漏現象，閥體密封面寬度小于閥瓣密封面的寬度，解決了加工、裝配過程累計公差帶來的閥瓣不同心的問題，杜絕了閥體和閥瓣不同心帶來的內漏現象；彈簧零件的設計，使閥瓣可以自動復位，閥瓣密封面貼合閥體密封面，在止回壓力較低的情況下，也能實現內漏密封，同時也解決了閥門任意角度安裝，閥瓣的自動復位功能；仍然保留了閥桿零件，可實現閥瓣的強制關閉，截止密封可做到零泄漏。閥座密封系統如圖3 所示。

圖3 閥座密封系統結構

3.3 閥體與閥蓋之間密封結構的設計

閥體和閥蓋之間采用可靠的纏繞墊片密封結構，通過對柔性石墨氯、硫、氟含量的控制，處于輻照環境下也能長期保持纏繞墊片的回彈率，密封可靠，有效地保證了承壓邊界的完整性。

3.4 閥桿密封系統設計

閥桿密封采用成熟的柔性石墨填料密封結構，通過對柔性石墨氯、硫、氟含量的控制，處于輻照環境下也能長期保持柔性石墨的回彈率，密封可靠，閥桿在使用過程中僅做上下升降動作，延長了閥桿密封的壽命。

3.5 可靠性設計

閥體和閥瓣密封面采用平面密封結構，在關閉的瞬間，不存在相互旋轉的情況，磨損較小，可靠性壽命可達3 000 次以上。

3.6 強制開啟閥瓣設計

在截止、止回功能的基礎上，通過拆除限位板，閥桿可以帶動閥瓣繼續運動，此時閥瓣被強制開啟，流通尺寸與管道內徑相同，可以實現介質的快速排放。

4 流阻分析計算

4.1 計算軟件

幾何模型的繪制采用Solidworks 軟件，網格劃分軟件為ANSYS Workbench Mesh，流場計算軟件為FLUENT。

4.2 網格劃分

采用ANSYS Workbench Mesh 軟件進行網格劃分，網格劃分采用四面體網格，并對壁面進行網格加密，設置網格邊界層。止回開度模型劃分后的網格節點數為952 347，單元數為2 869 667，如圖4 所示。全啟開度模型劃分后的網格節點數為939 175，單元數為2 786 686，如圖5 所示。

圖4 止回開度模型網格節點

圖5 全啟開度模型網格節點

4.3 流場計算與分析

4.3.1 計算條件

介質：常溫水。

邊界條件：設置進口流速3 m/s，設置自由出口。

收斂條件：迭代殘差小于1×10-4。

4.3.2 流場計算

止回開度模型下流場計算的壓力云圖如圖6 所示，速度云圖如圖7 所示，速度矢量如圖8 所示，迭代殘差如圖9 所示。

圖6 壓力云圖

圖7 速度云圖

圖8 速度矢量圖

圖9 迭代殘差曲線圖

全啟開度模型下流場計算的壓力云圖如圖10 所示，速度云圖如圖11 所示，速度矢量如圖12 所示，迭代殘差如圖13 所示。

圖10 壓力云圖

圖11 速度云圖

圖12 速度矢量圖

圖13 迭代殘差曲線圖

4.4 流阻計算結果

參照GB/T 30832—2014《閥門 流量系數和流阻系數試驗方法》7.4 節流阻系數公式（6）ζ=（2 000×ΔPv）/（ρ×v2），ΔPv為被試驗閥門的凈差壓，單位為kPa；v為試驗管道內水的平均流速，單位為m/s；ρ為水的密度，單位為kg/m3。

止回開度模型流阻，模型進口壓力P1=-3 674.2 Pa，出口壓力P2=-30 226.8 Pa，凈差壓ΔPv=26 552.6 Pa；試驗管道內水的平均流速v=3.66m/s；水的密度ρ=998.2kg/m3；流阻系數ζ=（2 000×ΔPv）/（ρ×v2）≈4.0。

全啟開度模型流阻，模型進口壓力P1=1 445.2 Pa，出口壓力P2=-23 871.0Pa，凈差壓ΔPv=25 316.2 Pa；試驗管道內水的平均流速v=3.66m/s；水的密度ρ=998.2kg/m3；流阻系數ζ=（2 000×ΔPv）/（ρ×v2）≈3.8。

5 應力分析計算

5.1 使用載荷限制

該多功能閥門屬于安全二級閥門，且需滿足可運行性的要求，故進行應力計算時，按B 級準則級別校核（表1）。

表1 O 級、A 級、B 級、C 級和D 級使用限制

5.2 設計條件下閥體交叉區域的應力計算

流體面積和金屬面積示意圖如圖14 所示。

圖14 流體面積和金屬面積示意圖

5.2.1 按ASME BPVC-III—2004《核設施部件建造規則》NB-3545.1 計算一次薄膜應力

式中：1）PO=PS=6.4 MPa（PS為260 ℃下的標準計算壓力）；

2）采用壓力面積法求得下述數據。

LA取0.5d-Tb=0.5×（36+2×5）-（34.5-5）=-6.5 mm和Tr=15-5=10 mm 中的大者，

式中：a.頸部內徑d=36 mm，考慮5 mm 腐蝕余量；

b.頸部壁厚Tb=34.5 mm，考慮5 mm 腐蝕余量；

c.閥體流道壁厚Tr=15 mm，考慮5 mm 腐蝕余量；

d.閥體頸部交叉半徑r2=4 mm；

e.用作圖法得到流體面積Af=1 094 mm2，金屬面積Am=1 297 mm2；

f.閥體材料為TA22，查試驗數據用插值法求得260 ℃下的許用應力S=116.4 MPa。

5.2.2 按ASME BPVC-III—2004《核設施部件建造規則》NB-3545.1 計算總體薄膜應力加彎曲應力

式中：1）總體薄膜應力σmO，即

式中：a.閥體拐角區的內半徑ri，ri=15/2+5=12.5 mm；

b.閥體流道壁厚Tr=15 mm，考慮5 mm 腐蝕余量。

2）由管道反作用力引起的彎曲應力σb，即

式中：a. 管道材料未知，依據ASME BPVC-III—2004《核設施部件建造規則》NB-3545.2 中S'=200 MPa。

b.管道彎曲模數，Fb取Fb1和Fb2中的較大值，則

式中：管道的實際內徑為de=15 mm。

內徑稍大于de的壁厚系列40 管道的斷面模數，

式中：D'=26.7 mm（內徑稍大于de的標準40 管道外徑）；

d'=20.9 mm（內徑稍大于de的標準40 管道內徑）；

ri'=10.45 mm（內徑稍大于de的標準40 管道流道半徑）；

Tr'=2.88 mm（內徑稍大于de的標準40 管道壁厚）。

c.彎曲負荷應力系數取下述兩者的較大值，Cb取0.335（r/Tr）2/3=0.335（30/10）2/3=0.697 或1，則Cb=1，

式中：拐角區閥體壁的平均半徑r=30 mm。

d.閥體截面彎曲模數，即

式中：I=π（D4-d4）/64=198 804；

截面外徑D=15+15×2=45 mm；

閥體流道直徑d=15 mm。

5.3 A 級服役工況閥體交叉區域的應力計算

5.3.1 一次薄膜應力計算

式中：1）PA=PS=6.4 MPa（PS為260 ℃下的標準計算壓力）；

2）其余參數參照5.2.1 節。

5.3.2 一次薄膜應力加彎曲應力計算

式中：1）總體薄膜應力σmA，即

2）其他參數參照5.2.1 節。

5.4 B 級服役工況閥體交叉區域的應力計算

5.4.1 一次薄膜應力計算

式中：1）PB=1.1PS=1.1×6.4=7.04 MPa（PS為260 ℃下的標準計算壓力）；

2）其余參數參照5.2.1 節。

5.4.2 一次薄膜應力加彎曲應力計算

式中：1）總體薄膜應力σmB，即

2）其余參數參照5.2.1 節。

5.5 C 級服役工況閥體交叉區域的應力計算

5.5.1 一次薄膜應力計算

式中：1）PC=1.2PS=1.2×6.4=7.68 MPa（PS為260 ℃下的標準計算壓力）；

2）其余參數參照5.2.1 節。

5.5.2 一次薄膜應力加彎曲應力計算

式中：1）總體薄膜應力σmC，即

2）其余參數參照5.2.1 節。

5.6 D 級服役工況閥體交叉區域的應力計算

5.6.1 一次薄膜應力計算

式中：1）PD=1.5PS=1.5×6.4=9.6 MPa（PS為260 ℃下的標準計算壓力）；

2）其余參數參照5.2.1 節。

5.6.2 一次薄膜應力加彎曲應力計算

式中：1）總體薄膜應力σmD，即

2）其余參數參照5.2.1 節。

6 中法蘭螺栓分析

6.1 按《核設施部件建造規則》附錄Ⅺ-3221 確定螺栓負載

6.1.1 按《核設施部件建造規則》附錄XI-3221.1 確定設計工況的螺栓負載

設計工況的螺栓負載

式中：1）中法蘭密封面中徑G=44.5 mm；

2）中法蘭密封面的有效密封寬度b=7.5/2=3.75 mm；

3）墊片系數m=3；

4）設計壓力P=6.4 MPa。

6.1.2 按《核設施部件建造規則》附錄XI-3221.2 計算墊片壓緊工況下的螺栓負荷

墊片壓緊工況下的螺栓負載Wm2=3.14bGy=3.14×3.75×44.5×69=36 155 N，

式中：1）墊片最小設計壓緊應力y=69 MPa；

2）其他數據同6.1.1 小節。

6.2 按《核設施部件建造規則》附錄XI-3222 計算所需的和實際的螺栓總面積

6.2.1 設計工況所需的螺栓總面積計算

設計工況所需的總面積Am1=Wm1/Sb=30 070/140=214 mm2，

式中：1）設計工況的螺栓負載Wm1=30 070 N；

2）螺栓材料為TA31，在常溫時的許用應力Sb=140 MPa；

6.2.2 墊片密封所需的螺栓總面積計算

墊片密封所需的螺栓總面積Am2=Wm2/Sb=36 155/140=258 mm2，

式中：1）用于墊片密封的螺栓負載Wm2=36 155 N；

2）螺栓材料為TA31，在常溫時的許用應力Sb=140 MPa。

6.2.3 實際螺栓總面積

實際螺栓總面積Ab=π/4×（d-1.226 8p）2n=305 mm2≥Am2=258 mm2≥Am1=214 mm2【合格】，

式中：1）中法蘭螺柱直徑d=12 mm；

2）螺柱螺距p=1.75 mm；

3）螺柱個數n=4。

7 密封面上的總作用力及計算比壓

7.1 必需比壓的計算

式中：1）P=6.4 MPa（公稱壓力）；

2）bM=3 mm（閥體密封面的寬度）。

7.2 密封面上總作用力的計算

式中：1）密封面上密封力QMF=π（DMN+bM）bMqMF=3 405 N；

2）密封面上介質力QMJ=（DMN+bM）2p=2 010 N；

3）密封面內徑DMN=17 mm；

4）密封面的寬度bM=3 mm；

5）必需比壓qMF=18.07 MPa；

6）公稱壓力p=6.4 MPa。

7.3 計算比壓的計算

7.4 計算比壓校核

qMF=18.07 MPa

式中：密封面材料的許用比壓[q]=150 MPa。

8 閥瓣最低開啟壓力計算

閥瓣處介質作用力

彈簧力

最后計算得閥瓣最低開啟壓力

式中：QT=10 N（彈簧作用力）。

9 閥桿強度校核

9.1 閥桿轉矩計算

9.1.1 閥桿與填料摩擦力的計算

式中：1）填料系數查表ψ=0.73；

2）閥桿直徑dF=14 mm；

3）填料寬度bT=4 mm；

4）公稱壓力p=6.4 MPa。

9.1.2 防轉板摩檫力的計算

式中：1）閥桿中心到摩擦面中心距R=30.5 mm；

2）鍵槽與防轉鍵間摩擦因數fJ=0.3；

3）關閉時螺紋摩擦半徑RFM=1.76 mm。

9.1.3 關閉時閥桿總軸向力的計算

式中：關閉時彈簧力QMT=10 N。

9.1.4 開啟時閥桿總軸向力的計算

9.1.5 關閉時閥桿總轉矩的計算

9.1.6 開啟時閥桿總轉矩的計算

式中：開啟時螺紋摩擦半徑R'FM=1.37 mm。

9.2 閥桿強度驗算

閥桿截面圖如圖15 所示。

圖15 閥桿截面圖

I-I 斷面的截面積為AI=0.785×10.52=86.5 mm2；

II-II 斷面的截面積為AII=90 mm2；

III-III 斷面的截面積為AIII=0.785×142=154 mm2；

IV-IV 斷面的截面積為AIV=0.785×102=78.5 mm2。

經分析，僅需對IV-IV 斷面進行驗算。

9.2.1 IV-IV 斷面處的壓應力計算

式中：1）關閉時閥桿總軸向力F'FZ=5 787 N；

2）IV-IV 斷面的截面積為AIV=0.785×102=78.5 mm2；

3）閥桿材料為TA31，其許用壓應力[σY]=154 MPa。

9.2.2 IV-IV 斷面處的扭轉應力計算

式中：1）關閉時閥桿總轉矩M'FZ=10 185 N·mm；

2）IV-IV 斷面的截面系數為WIV=π×103/16=196mm3；

3）閥桿材料為TA31，其許用扭轉應力[τN]=93 MPa。

9.2.3 IV-IV 斷面處的合成應力計算

10 閥瓣強度驗算

閥瓣截面圖如圖16 所示。

圖16 閥瓣截面圖

10.1 Ⅰ-Ⅰ斷面處的切應力計算

式中：1）密封面上總作用力QMZ=5415 N；

2）閥瓣內徑d=15 mm；

3）閥瓣厚度tB=9 mm；

4）閥瓣腐蝕余量c=5 mm；

5）閥瓣材料為TC4，許用切應力[τ]=93 MPa。

10.2 Ⅰ-Ⅰ斷面處的彎曲應力計算

式中：1）系數K2根據DMP/D 查表，得K2=0.135；

2）密封面平均直徑DMP=DMN+bM=17+3=20 mm；

3）閥瓣尾部外徑D=27 mm；

4）閥瓣材料為TC4，許用彎曲應力[σW]=186 MPa。

11 結束語

本文介紹了一種多功能閥門的設計與分析，在滿足使用功能的基礎上，進行了結構優化，可有效對帶固體顆粒的廢水、海水介質進行接通或切斷。通過應力分析和校核計算，閥門的最大應力值遠小于材料的許用應力值，安全系數較高，保證了工況下的完整性和可運行性。