徐青青 ， 趙海芳 ， 朱 磊

（宿遷學院機電工程學院，江蘇 宿遷 223800）

0 引言

長輸管線在國內的廣泛應用以及我國多項重點天然氣長輸管線項目的在建和擬建，大大增加了市場對節(jié)流截止放空閥的需求。高壓力大口徑的節(jié)流截止放空閥是石油、天然氣長輸管線的關鍵設備，其主要安裝在管道主泵出口，起到調節(jié)管道介質、輸送流量的作用，是管線中最重要的閥門之一。課題組設計的24-900LB節(jié)流截止放空閥是專為石油、天然氣、成品油管線輸送系統(tǒng)而開發(fā)的啟、閉閥門裝置，具有節(jié)流、截止、放空等功能，可在管道維修、緊急放空時使用。該閥門的成功研制展現(xiàn)了我國在該領域的技術研發(fā)能力，提高了閥門產品的市場競爭力，還對我國在高技術、精加工等領域和對外貿易方面產生了重大意義。

首先，高壓力大口徑節(jié)流截止放空閥是在學習國外先進技術的基礎上開發(fā)的特殊閥門。改進的閥門結構設計、材料選擇、閥板和閥座的密封面配置選擇，使得閥門具備自清潔、防腐蝕、耐沖刷等功能；其在調節(jié)流量時，操作方便；關閉閥門時，密封可靠；閥門工作壽命長達30年，且相關性能可以長期滿足工況要求[1]。

其次，課題組在設計研制放空閥的過程中，引進了先進制造技術/現(xiàn)代制造技術（AMT/MMT），進行了閥門計算機輔助工程分析（CAE）。在ANSYS有限元軟件平臺上，建立產品結構的參數(shù)化模型，進行了機械動態(tài)數(shù)字化仿真、零件到裝配/結構件到整體分析、應力與變形分析、運動學/動力學分析、強度校核、焊接溫度場和殘余應力分析[2]。

最后，在有限元分析的基礎上，優(yōu)化放空閥的結構并試制最高壓力為22 MPa的900通徑高壓力超大口徑放空閥，實現(xiàn)閥門設計與開發(fā)數(shù)字化，確保所設計閥門的質量和可靠性。

1 放空閥的創(chuàng)新結構設計

高壓力大口徑硬密封調節(jié)型放空閥在國內長輸油管線、煉油廠、油罐區(qū)、油田管道等管路中占有重要地位，但當前大多使用進口產品。進口產品不但價格昂貴，而且維修時間長、售后服務困難。高壓力大口徑硬密封調節(jié)型節(jié)流截止放空閥主要在輸送管道泵出口處使用，起到調節(jié)管道介質、輸送流量的作用，它是在學習國外先進技術的基礎上開發(fā)的特殊閥門，具備結構緊湊、強度高，密封、調節(jié)性能好，耐沖蝕、抗磨損及使用壽命長等特點[3]。

1.1 高壓力大口徑調節(jié)型放空閥結構設計與關鍵參數(shù)的初步設計

放空閥主要用于油氣管道運輸，工作時采用法蘭連接、全通徑、單平板、半導流閘板、全浮動結構；采用雙活塞效應（DBB）閥座、雙向雙密封（DIB-1）；采用硬密封、軟密封加緊急注脂密封的多重密封結構；采用閥桿防飛出結構；采用高強度、抗外力，防靜電、防火結構[4]。閥體的結構如圖1所示。

圖1 閥體的結構示意圖

1.2 閥門內腔壓力自平衡設計

閥門采用內腔壓力自平衡設計，如圖2所示。由于閥門具備高壓力、大口徑等特點，為減輕閥門的重量與全壓差下的啟閉扭矩，閥瓣采用鏤空設計[5]。在閥瓣上設置介質壓力平衡孔、閥瓣導套，采用活塞式密封，保證啟閉全壓差條件下穩(wěn)定操作，開啟輕便靈活、啟閉扭矩小。

圖2 閥門內腔壓力自平衡設計

1.3 閥桿防飛出設計

閥桿設計為倒T形、帶圓錐形上密封面結構，如圖3所示。裝配閥桿時倒裝入閥蓋，可防止閥桿被介質壓力吹出，確保閥門安全運行[6]。

圖3 閥體防飛出設計

1.4 雙重密封設計

當壓力作用于閥板時，強制閥板緊貼閥座鑲嵌的PTFE密封圈，并壓縮其直到閥板停止在閥座金屬密封面上，這樣就形成了軟硬雙重密封。雙重密封設計如圖4所示。先是PTFE對金屬密封，然后是金屬對金屬密封，閥座也被牢固地推到凹槽，O型圈阻止任何后部介質流[7]。

圖4 雙重密封設計

1.5 自動泄壓設計

當閥門中腔壓力異常升高時，中腔壓力推動浮動式閥座，將中腔壓力釋放到上游或下游管道。當中腔壓力降低時，兩端介質推動閥座緊貼閥板，從而達到密封效果[8]。圖5為自動泄壓設計。

圖5 自動泄壓設計

2 放空閥的有限元數(shù)據(jù)分析

課題組設計閥體壓力為15 MPa、16.5 MPa、22 MPa，分別對不同工況下閥體關閉狀態(tài)的應力與變形分布進行分析。

1）根據(jù)設計壓力為15 MPa的工況，對閥體關閉狀態(tài)下的應力與變形分布進行分析。

施加約束主要考慮閥體兩端的流道約束以及閥外支座的支撐作用，對流道左端面施加固定約束A，對流道右端面施加位移約束B，前視基準面施加對稱約束。閥體內腔設計壓力為15 MPa，約束和加載圖如圖6所示。

圖6 約束和加載圖

閥體內壁變形分布云圖如圖7（a）所示。由于閥體結構左右對稱，因此閥體變形量也基本左右對稱，最大變形分布在上蓋內孔相交處。閥體外壁變形分布云圖如圖7（b）所示。閥體外壁最大變形分布在上蓋與閥體貫穿處。通過模擬計算，得到閥體最大等效應力為211 MPa，分布在內孔對稱面的邊緣處[9]。

圖7 閥體15 MPa變形分布云圖

2）根據(jù)密封試驗壓力為16.5 MPa的工況，對閥體關閉狀態(tài)下的變形分布進行分析。

閥體內壁變形分布云圖如圖8（a）所示，最大變形分布在內孔相交處。閥體外壁變形分布云圖如圖8（b）所示，最大變形分布在上蓋與閥體貫穿處。

圖8 閥體16.5 MPa變形分布云圖

3）根據(jù)密封試驗壓力為22 MPa的工況，對閥體關閉狀態(tài)下的變形分布進行分析。

閥體內壁變形分布云圖如圖9（a）所示。由于閥體結構左右對稱，因此閥體變形量也基本左右對稱。最大變形分布在上蓋內孔處。閥體外壁變形分布云圖如圖9（b）所示。閥體外壁最大變形分布在上蓋與閥體貫穿處。

圖9 閥體22 MPa變形分布云圖

3 結論與展望

近年來，世界上主要油氣生產國大量使用長輸管線來解決油氣資源的運輸問題，石油、天然氣長輸管線得到了廣泛的應用和長足的發(fā)展。高壓力大口徑節(jié)流截止放空閥是石油、天然氣長輸管線的基礎設備、關鍵設備。創(chuàng)新設計節(jié)流截止放空閥，符合國家產業(yè)政策，符合高速發(fā)展的長

輸管線市場需求，其在石油、天然氣長輸管線市場中需求迫切，故節(jié)流截止放空閥的發(fā)展?jié)摿薮螅瑧们熬皬V闊[10]。

課題組的主要工作和研究成果如下：

1）設計了高壓力大口徑節(jié)流截止放空閥的原理方案，完成產品結構圖紙設計，包括閥體結構、閥蓋結構、閥芯結構、閥桿結構、閥座、節(jié)流套等。

2）在SolidWorks中建立了放空閥的三維模型，利用ANSYS軟件建立了高壓力大口徑節(jié)流截止放空閥的仿真模型，根據(jù)不同工況對閥體關閉狀態(tài)下進行應力與變形受力分析，并形成有限元分析報告。通過仿真分析，驗證了放空閥的功能和性能，實現(xiàn)閥門設計與開發(fā)數(shù)字化，確保閥門設計與開發(fā)的質量和可靠性。

3）在仿真的基礎上，優(yōu)化放空閥的結構并試制了最高壓力22 MPa的900通徑高壓力大口徑節(jié)流截止放空閥的樣機。試驗表明，放空閥的整體性能良好，各項指標均滿足設計要求。