一種節流截止放空閥的設計研制*

（宿遷學院機電工程學院，江蘇 宿遷 223800）

1 研究內容與研究方案

按照中石油技術條件與產品有關的標準和規范，開發高壓力大口徑節流截止放空閥—24”-900LB 整體設計方案、設計圖紙（含設計文件），并成功試制高壓力大口徑節流截止放空閥1 臺，完成要求的檢驗與試驗，全面達到國產化試制的技術條件和試驗大綱的要求，并滿足石油、天然氣長輸管線的用戶使用要求[1-2]。

1）主要研究內容如下：①高壓力大口徑節流截止放空閥—24”-900LB 原理方案設計、關鍵參數初步設計；②利用ANSYS 軟件根據不同工況對閥體關閉狀態下進行應力與變形分布進行分析，實現閥門產品開發的數字化設計、計算和驗證[3]；③試制高壓力大口徑節流截止放空閥，并對整機性能試驗。

2）主要技術方案如下：①采用法蘭連接、節流、截止、放空、電動結構；②閥門密封采用硬密封結構；③填料密封采用上密封、填料密封、加緊急注脂密封的多重密封結構；④控制流量時能連續的平穩操作技術，閥門開關靈活技術結構設計技術；⑤閥桿防飛出結構，高強度、抗外力[4]。

2 關鍵技術與創新點

2.1 創新點

1）本設計的閥門采用多級節流設計，如圖1 所示。在閥門剛開啟時通過閥瓣錐度對介質流量進行初步節流，隨著閥瓣遠離閥座，則通過節流套對流量進行調節，當閥門達到全開時，可實現介質放空。

圖1 閥門的多級節流設計

2）閥瓣與閥座采用硬密封錐面密封結構型式，如圖2所示。閥瓣的長錐度密封面具有初步節流功能，同時利于閥門利用介質吹掃附在密封面上的臟物；閥瓣與閥座采用特殊工藝噴涂密封面，耐腐蝕、耐沖刷、耐磨損，保證閥門長期密封可靠。在控制流量時能連續的平穩操作，閥瓣在關閉時能達到零泄漏的要求。

圖2 閥瓣與閥座的密封設計

2.2 關鍵技術攻關

1）閥芯的節流設計。閥門以閥芯節流套的節流為主要節流手段，節流套采用鍛造不銹鋼加工而成，在節流套外徑均布細長形節流槽，節流槽的面積經過科學、精確的計算，使閥門具有更精準的節流性能、污物通過性、降低介質通過時的噪音，同時通過對節流槽表面進行淬火處理，提高其耐沖刷性、耐磨損性能[5]。如圖3 所示。

圖3 閥芯的節流設計

2）先進的研磨技術。大口徑、高壓力節流截止放空閥的閥瓣與閥座為保證密封性能，在完成精磨削加工后需再采用“配對”精密研磨加工。由于閥瓣和閥座的硬度比較高，故先采用進口的磨料、工藝、工裝，在引進和改制的精密磨床上進行第一遍精磨削加工，后采用專門研制的研磨工裝對閘板與閥座進行“配對”精密研磨，最終密封效果可達“零”泄漏[6]。

3 閥體在不同工況壓力載荷下強度與變形分析

3.1 閥體的網格模型

閥體沿流道軸線與閥桿運動軸線所在平面對稱[7]，以對稱面為基準分析，在Solidworks 中生成三維模型，如圖4 所示。

圖4 閥體實體模型

對閥體模型進行網格劃分，采用自動網格生成，并對閥體流道處進行局部加密，網格加密精度為中等。網格模型如圖5 所示。

圖5 閥體網格分布圖

3.2 工況分析

對閥體關閉狀態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。

1）設計壓力工況。根據設計壓力15MPa 工況，對閥體關閉狀態下的應力與變形分布進行分析。閥體應力，通過模擬計算得到閥體的等效應力分布云圖，最大等效應力為211MPa，分布內孔對稱面的邊緣處。閥體內壁變形，閥體內壁變形分布如圖6 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，閥體外壁變形分布經計算，閥體外壁最大變形分布在上蓋與閥體貫穿處。

2）密封試驗工況。根據密封試驗壓力為16.5MPa 工況，對閥體關閉狀態下的應力與變形分布進行分析。

3）強度試驗工況。根據密封試驗壓力為22.5MPa 工況，對閥體關閉狀態的應力與變形分布進行分析。

4）閥門擠壓工況。管道和袖管在管道介質力作用下，由于管道末端封堵在戒指軸向力作用下對閥體和袖管施加擠壓力，分析其擠壓力作用下應力分布。對閥體一端施加固定約束C，管道另一端施加壓力，此外對該端施加軸向均布擠壓力D，載荷及約束如圖6 所示。

圖6 閥體施加約束圖

5）閥門拉伸工況。管道在管道介質力作用下，由于管道末端封堵在戒指軸向力作用下對閥體和袖管施加拉伸力，分析其拉伸力作用下應力分布。

4 后續研究建議

1）高壓大口徑節流截止放空閥結構設計仍需要得到進一步優化。通過對壓力容器、壓力管道和閥門相關行業及產品的結構和工藝的對比研究，探索更多的更優化、更合理的閥門結構，以達到高壓大口徑節流截止放空閥使用性能良好、安全可靠、使用壽命延長之目的。

2）閥瓣和閥座噴焊密封面仍需要得到進一步的探索和優化，以提高涂層的一次探傷合格率。通過焊接設備、焊接工藝參數、焊材和焊工技能等多方面的改進，確保閥瓣和閥座一次探傷合格率達到100%，從而保證閥門安全性能的進一步提高和閥門制造成本的降低。

5 結語

高壓力大口徑節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，在石油、天然氣長輸管線中，市場需求迫切，市場潛力巨大，應用前景廣闊。通過高壓大口徑節流截止放空閥的設計，實現產、學、研的合作，驗證設計方案、設計圖紙，解決了高壓大口徑節流截止放空閥結構設計及分析計算、大口徑閥體加工、閥瓣噴焊及加工、閥座的噴焊及加工等研究試驗及高壓大口徑閥門裝配、檢驗與試驗等難題，合作單位應用全新的先進工藝、設備和檢測試驗儀器，為高壓大口徑節流截止放空閥批量生產做好了技術、裝備和專業人才的準備，為高壓大口徑節流截止放空閥推廣應用創造了條件。