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摘要:通过有(you)限元分析以及试验结果结合,分析了 API 6A 高磅级暗杆平板闸阀实现阀前密封的技术难点。

关键词高磅级暗杆闸阀阀前密封

一、前言

API 6A 暗杆平板闸阀阀前密封原理:在没有压力或低压的情况下,通过阀座后的波形弹簧提供预紧力,推动阀座压向闸板,并与之贴合实现密封,当有压力时,通过阀座前后形成的密封比压,产生推力,使阀座向闸板移动并且贴合在入口端实现密封。

一般情况下,闸板的厚度大于设计计算得出的闸板最小厚度即可,但是由于暗杆平板闸阀闸板中间设计不通孔以装配阀杆,导致受压时闸板变形量过大。而且经过密封试验,这一系列的阀门均在闸板上口出现了不同程度的泄漏。根据几台样机出现的不同结果,结合其相应闸板的单边厚度,分析得出,其出现泄漏及泄漏的程度都与闸板单边厚度有关,故采用 COSMOS 有限元分析与试验相结合的方式来解决这个难点。

二、分析闸板厚度对受压变形的影响

首先(xian),对(dui)闸阀 2-1/16GBN Ⅰ 10MJ 的闸板进(jin)行分(fen)析,通(tong)过有限元分(fen)析得出同(tong)(tong)一种闸板不同(tong)(tong)厚度(du)的变形情况(kuang):

l)改进前闸板厚度(du) 42mm,闸板单边(bian)厚度(du) 7mm,如(ru)图 1 所(suo)示,图 2 是在10000psi(1psi=6.895kPa)压力下闸板的位(wei)移(yi)量(liang)(liang),密封面最外圈(quan)从(cong)闸板下口(kou)开始逆时针方向测量(liang)(liang)一周的位(wei)移(yi)量(liang)(liang)如(ru)图 3。

图 1 改造前闸板
图 1 改造前闸板
图 2 改造前闸板位移量
图 2 改造前闸板位移量
图 3 密封圈一周位移量
图 3 密封圈一周位移量

分(fen)析结果(guo),得(de)出:闸板(ban)受(shou)压(ya)时,闸板(ban)上(shang)口(kou)为(wei)变(bian)形(xing)即位(wei)(wei)(wei)移(yi)最(zui)大处,最(zui)大位(wei)(wei)(wei)移(yi)为(wei) 0.026mm,闸板(ban)左右(you)两侧为(wei)变(bian)形(xing)即位(wei)(wei)(wei)移(yi)最(zui)小处,最(zui)小位(wei)(wei)(wei)移(yi)为(wei) 0.011mm 左右(you),相对(dui)位(wei)(wei)(wei)移(yi)为(wei) 0.015mm。

2)改(gai)进后闸(zha)板(ban)(ban)厚(hou)度(du) 48mm,闸(zha)板(ban)(ban)单(dan)边厚(hou)度(du) 10mm,在(zai) 10000psi 压力下(xia)闸(zha)板(ban)(ban)的(de)位(wei)移(yi)量如图 4,图 5 表示(shi)密封面最(zui)外(wai)圈从(cong)闸(zha)板(ban)(ban)下(xia)口开(kai)始逆时针方向测量一(yi)周的(de)位(wei)移(yi)量。

图 4 改造后闸板位移量
图 4 改造后闸板位移量
图 5 改造后密封面一周位移量
图 5 改造后密封面一周位移量

分析结果,得出:闸(zha)板(ban)受压(ya)时,闸(zha)板(ban)上口(kou)为变形即位(wei)移(yi)最大(da)处(chu),最大(da)位(wei)移(yi)为 0.0205mm,闸(zha)板(ban)左右(you)两侧(ce)为变形即位(wei)移(yi)最小处(chu),最小位(wei)移(yi)为 0.014mm 左右(you)。相(xiang)对位(wei)移(yi)为 0.0065mm。

其(qi)次,对闸(zha)阀(fa) 3-1/16GBN Ⅰ10MJ 的闸(zha)板(ban)进行分(fen)析(xi)(xi),通过有限(xian)元分(fen)析(xi)(xi)得出同一种(zhong)闸(zha)板(ban)不同厚度(du)的变形(xing)情况(kuang),测(ce)量方法同前,从闸(zha)板(ban)密封(feng)面(mian)下口开始沿密封(feng)圈外圆逆时针方向测(ce)量。

闸(zha)板厚度(du)为 50mm,闸(zha)板单边(bian)厚度(du) 7mm 时,在 10000psi 压力下(xia)密(mi)封面(mian)最(zui)外圈从闸(zha)板下(xia)口开(kai)始逆(ni)时针方向测量(liang)(liang)一周(zhou)的(de)位移量(liang)(liang)如图 6,闸(zha)板厚度(du)为 60mm,闸(zha)板单边(bian)厚度(du) 12mm 时,密(mi)封面(mian)最(zui)外圈从闸(zha)板下(xia)口开(kai)始逆(ni)时针方向测量(liang)(liang)一周(zhou)的(de)位移量(liang)(liang)如图 7。

图 6
图 6 闸板厚度为 50mm,闸板单边厚度 7mm 时密封面一周的位移量
图 7
图 7 闸板厚度为 60mm,闸板单边厚度 12mm 时密封面一周的位移量

同理,闸(zha)板厚(hou)度(du)为 50mm 时(shi),最(zui)(zui)大(da)位(wei)(wei)(wei)移(yi)(yi)为 0.038mm 左(zuo)右(you),最(zui)(zui)小位(wei)(wei)(wei)移(yi)(yi)为 0.014mm 左(zuo)右(you)。相(xiang)对(dui)(dui)位(wei)(wei)(wei)移(yi)(yi)为 0.024mm;厚(hou)度(du)为 60mm 时(shi),最(zui)(zui)人位(wei)(wei)(wei)移(yi)(yi)为 0.0301mm 左(zuo)右(you),最(zui)(zui)小位(wei)(wei)(wei)移(yi)(yi)为 0.017mm 左(zuo)右(you)。相(xiang)对(dui)(dui)位(wei)(wei)(wei)移(yi)(yi)为 0.0131mm。

三、分析阀座密封面宽度对受压变形的影响

对(dui)闸阀 3-1/16GBN Ⅰ 15MJ 的闸板进行分析,理论分析得(de)知,如(ru)果(guo)密封(feng)面宽度稍微加(jia)大,可以(yi)增加(jia)受压时闸板的支撑面积,如(ru)图(tu) 8 所示(shi),可以(yi)减小受压时的变(bian)形,通过有限(xian)元分析,得(de)出如(ru)下结论。

图 8 闸板支撑面积
图 8 闸板支撑面积

闸板厚(hou)度为(wei) 60mm,单边(bian)厚(hou)度为(wei) 13mm 时分析得(de)出(chu)的(de)密封(feng)面变形(xing)位(wei)(wei)移如图 9,最(zui)大位(wei)(wei)移最(zui)为(wei) 0.047mm 左右,最(zui)小位(wei)(wei)移为(wei) 0.026mm,相对位(wei)(wei)移量为(wei) 0.021mm。

图 9
图 9 闸板厚度为 60mm,单边厚度为 13mm 时密封面变形位移

闸板厚(hou)度为 66mm,单边(bian)厚(hou)度为 16mm,密封面(mian)宽度不变(bian)时,分析得出的密封面(mian)变(bian)形位移(yi)(yi)(yi)如图 10,最(zui)大(da)位移(yi)(yi)(yi)量为 0.0445mm 左右,最(zui)小位移(yi)(yi)(yi)为 0.0275mm,相对位移(yi)(yi)(yi)量为 0.017mm。

图 10
图 10 闸板厚度为 66mm,单边厚度为 16mm 时密封面变形位移

闸板厚度为(wei) 60mm,单边厚度为(wei) 13mm 密(mi)封面宽度增加(jia) 1.5mm 时(shi)分析得出的(de)密(mi)封面变形位移如图 11,最大位移量为(wei) 0.044mm 左右(you),最小位移为(wei) 0.025mmm,相(xiang)对位移量为(wei) 0.019mm。

图 11
图 11 闸板厚度为 60mm,单边厚度为 13mm,密封面宽度增加 1.5mm 时分析得出的密封面变形位移

闸板(ban)厚(hou)度为(wei) 66mm,单边(bian)厚(hou)度为(wei) 16mm,密(mi)(mi)封(feng)(feng)面宽度增(zeng)加 1.5mm 时分(fen)析得出的密(mi)(mi)封(feng)(feng)面变形位(wei)移(yi)如(ru)图 12,最(zui)大位(wei)移(yi)量(liang)为(wei) 0.043mm 左右,最(zui)小位(wei)移(yi)为(wei) 0.027,相对位(wei)移(yi)量(liang)为(wei) 0.016mm。

图 12
图 12 闸板厚度为 66mm,单边厚度为 16mm,密封面宽度增加 1.5mm 时分析得出的密封面变形位移

四、结论

根(gen)据以(yi)上分析结(jie)果,不(bu)难看出(chu),影响密(mi)(mi)封(feng)的(de)因素主要(yao)有两个(ge):第一是(shi)闸(zha)板的(de)厚度,第二是(shi)密(mi)(mi)封(feng)面(mian)宽(kuan)度。尤(you)其是(shi)在更高磅级(ji)的(de)情况下,密(mi)(mi)封(feng)面(mian)的(de)宽(kuan)度起着比较大(da)的(de)作用。不(bu)仅如此(ci),在改变闸(zha)板厚度等因素时,还应将与(yu)之相关联的(de)尺寸也进行(xing)相应的(de)改变,不(bu)要(yao)产生过(guo)大(da)的(de)厚度差。

根(gen)据理论分(fen)析(xi)进(jin)(jin)行(xing)改进(jin)(jin)的 3 台样机已经全部(bu)试(shi)验(yan)成功(gong)。因此在设计(ji)计(ji)算时,闸板的厚度除了要(yao)满(man)足(zu)计(ji)算的结果之(zhi)外(wai),还要(yao)符合(he)分(fen)析(xi)结果;密(mi)(mi)(mi)封(feng)(feng)面(mian)的计(ji)算不(bu)仅(jin)要(yao)满(man)足(zu)密(mi)(mi)(mi)封(feng)(feng)比压(ya)的要(yao)求,还应特殊考(kao)(kao)虑阀前(qian)密(mi)(mi)(mi)封(feng)(feng)这(zhei)一特点(dian)。两(liang)者结合(he)考(kao)(kao)虑,可(ke)大大改善阀门的密(mi)(mi)(mi)封(feng)(feng)性能,达(da)到分(fen)析(xi)结果满(man)足(zu)闸板密(mi)(mi)(mi)封(feng)(feng)面(mian)最外(wai)侧的相对变形位(wei)移量在 0.015mm 左右。

API 6A 阀(fa)门磅(bang)级大于或等于 10000psi 的(de)(de)阀(fa)门属(shu)于高磅(bang)级阀(fa)门,虽然(ran)比较不(bu)容易实(shi)现,但(dan)是(shi)(shi)在理论分(fen)析与试(shi)验相结合的(de)(de)努力下,API 6A 高磅(bang)级暗杆平板阀(fa)前(qian)密封(feng)类别的(de)(de)阀(fa)门设计试(shi)验初见成(cheng)效,已有几(ji)台样机试(shi)验成(cheng)功。但(dan)是(shi)(shi)更多的(de)(de)可能(neng)影响暗杆闸阀(fa)阀(fa)前(qian)密封(feng)性能(neng)的(de)(de)因素还值(zhi)得(de)进一步去探讨和研究。


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