姜 峰 楊鼎瑞 吳業(yè)飛

（1.蘭州理工大學a.石油化工學院；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，因具有強制密封性好、抗振性高及流阻小等優(yōu)點，可適應高溫高壓等工作環(huán)境，廣泛應用于石油化工、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，在閘閥殼體力試驗下分別分析了閘體變形和密封情況，并進行優(yōu)化設計。

1 密封性能評價模型

楔式閘閥主要是通過介質壓力擠壓閘板，使閘板與流出端閥座貼合，從而截斷流體介質。閥座與閘板在介質壓力下接觸形成的接觸面起到主要的密封作用，閘閥密封結構如圖1所示。

圖1 閘閥密封結構

由于閘閥密封是通過閘板與閥座貼合形成密封面完成的，而閥座的尺寸遠小于閘體和閘板，這導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標準，而密封比壓則是判斷閥門是否滿足密封的重要指標。密封比壓需滿足［4］：

式中 q0——密封必須比壓，MPa；

q——實際比壓，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，閥座設計密封面寬度為6mm，Class300對應的公稱壓力P=5MPa，則q0=3.266MPa。

2 閘閥有限元仿真

一款閥門從設計到制作完成需要進行多次測試，其中殼體壓力試驗和密封壓力試驗是非常重要的兩次試驗［5］。以NPS8—Class300楔式閘閥的初始設計數(shù)據(jù)為基礎，運用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行仿真模擬。

2.1 仿真參數(shù)

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

圖2 閘閥1/2結構模型

表1 閘閥材料性能

2.2 接觸設置

閘板與前后閥座擠壓形成密封面，將密封接觸面設置為Frictional（摩擦接觸），摩擦系數(shù)設置為0.18［7］，進行接觸面計算，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，得到相對應的控制方程為：

式中 F——響應載荷向量；

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力來代替該接觸點，并通過迭代計算，提高收斂性，得到對應點解。

3 閘閥殼體壓力試驗仿真

殼體壓力試驗可測試閥體在超過一定限度工作壓力下的變形情況，以確定閥體設計是否能夠達到剛度要求，從而避免因為閥體變形過大導致的失效。

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)點數(shù)355 045，網(wǎng)格統(tǒng)計平均值0.829，約束條件為：閥門端法蘭兩端與管道連接設置為固定約束，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力集中。

產(chǎn)品在設計中需要預留一定的使用余量，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在閥門工作壓力的1.5倍壓力條件下進行。在殼體壓力試驗模擬中，閘閥與介質的接觸面添加7.5MPa介質壓力，壓力試驗變形情況結果如圖3所示。

圖3 閘閥殼體壓力試驗變形情況

由圖3a可以看到，閘閥最大變形位于閘體兩端側面紅色部分。此處受到介質壓力直接作用，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)品樣機進行殼體壓力試驗，與仿真結果進行對比，結果見表2，殼體試驗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點變形平均值0.008 014mm（圖3b）進行對比。模擬變形量與試驗測量值幾乎相同，模擬結果與實際情況相符，模擬結果可以接受。

4 閘閥密封壓力試驗及閥座優(yōu)化

閘閥主要由5部分構成，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。當閘閥處于關閉狀態(tài)時，運輸介質從上游流入閥體，并且通過上游側閘體與閥座的接觸面間隙進入閥腔。閘板受到流入側介質壓力作用產(chǎn)生微小軸向位移，進而擠壓流出側閥座。閘閥依靠閥座和閘板的接觸面在介質壓力和接觸面摩擦力共同作用下形成密封面，達到密封效果。

4.1 密封試驗分析

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81 954，網(wǎng)格質量為0.786。

為了避免正常工作壓力的微小上升導致的閥門密封失效，密封壓力試驗同樣需要將設計余量考慮在內進行測試。密封壓力試驗在工作壓力1.1倍壓力條件下進行。所以在與運輸介質接觸的面添加5.5MPa介質壓力。密封壓力試驗仿真結果，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行結構尺寸優(yōu)化。文獻［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。

結合相關學者的研究，選擇閥座結構尺寸中閥座厚度l、密封面寬度b、密封面起始高度d共3個參量作為優(yōu)化對象。建模時對3個參量尺寸進行參數(shù)化定義，運用ANSYS Workbench軟件Design Exploration功能，探究這3個參量對密封性能的影響。根據(jù)原始NPS8—Class300楔式閘閥設計，在原有尺寸基礎的一定范圍內，運用CCD試驗方法探究結構參量對密封的影響。閥座結構參量取值見表3。

表3 閥座結構參量取值 mm

通過CCD試驗法可以得到3個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。

在分析區(qū)間內，各參數(shù)對密封比壓的影響如圖5所示?？梢钥闯?，當密封面寬度大于7mm時，密封比壓隨著密封寬度的增加變化很小，此時的密封面應力分布較均勻，密封比壓趨于穩(wěn)定。當密封寬度較小時，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，導致密封面出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象，密封比壓迅速增加。尤其密封寬度在區(qū)間端點3mm時，密封比壓已遠遠超過材料許用應力。

圖5 3個參量對密封比壓的影響

對密封面寬度和密封比壓趨勢進行擬合，關系式為：

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 結論

5.1 根據(jù)閘閥殼體壓力試驗情況，楔式閘閥閘體兩端側面變形最大，此處受到介質壓力作用最強。模擬值與殼體壓力試驗結果值幾乎相同，模擬結果可信。原始設計的NPS8—Class300閘體強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 閥座結構優(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。