楔形雙閘板閘閥閥座優(yōu)化研究

張永豐 鄧東山 吳正勇 王勇莊

摘 要：楔形雙閘板閘閥閥座易出現(xiàn)失效現(xiàn)象，研究人員在水壓試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，閘閥閥門開啟過程中，在流場(chǎng)壓力作用下，會(huì)造成出閘口變形，試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)，出口閘座與流場(chǎng)高壓差有相關(guān)性，是造成閥座屈服失效的主要因素。基于此，本文主要就楔形雙閘板閘閥閥座失效及結(jié)構(gòu)優(yōu)化路徑進(jìn)行探究，通過增加閥座外徑尺寸的方式進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)而滿足出口閥座強(qiáng)度要求。

關(guān)鍵詞：楔形雙閘板;閘閥閥座;單向流固耦合;卸荷槽

引言：楔形雙閘板閘閥結(jié)構(gòu)簡單，在實(shí)際應(yīng)用中，展現(xiàn)出流體阻力小、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)勢(shì);當(dāng)前在管路系統(tǒng)中，成為常用的控制元件。因此，為進(jìn)一步提升楔形雙閘板閘閥閥座性能，避免閥座失效，有必要深入展開探究，研究不同介質(zhì)、不同工況條件下，是否會(huì)出現(xiàn)楔形雙閘板閘閥內(nèi)漏及磨損現(xiàn)象。

1.分析單向流固耦合基本原理

以某企業(yè)設(shè)計(jì)的DN350-2500LB型楔形雙閘板閘閥為例，由專業(yè)人員對(duì)其進(jìn)行水壓試驗(yàn)操作，閘閥進(jìn)口壓力設(shè)置為10.5MPa，觀察發(fā)現(xiàn)，在流場(chǎng)壓力作用下，會(huì)造成出口閥座變形，參照單向流固耦合方式，對(duì)DN350-2500LB型楔形雙閘板閘閥進(jìn)行有限元分析，獲取到不同開度下，出口閥座的等效力參數(shù)指標(biāo);試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在流場(chǎng)壓力作用下，超出了出口閥座的荷載應(yīng)力，進(jìn)一步降低了楔形雙閘板閘閥閥座密封效果，加劇閥座變形程度;因此，試驗(yàn)人員進(jìn)一步展開探究，確保根據(jù)出口閥座變形規(guī)律，進(jìn)行全面的分析，具體探究出優(yōu)化閥座結(jié)構(gòu)的有效辦法。

就流固耦合基本原理看，具體是指在流場(chǎng)作用下，變形固體行為對(duì)整個(gè)流場(chǎng)的影響，結(jié)合流固耦合固定特性，并根據(jù)結(jié)果反映物理現(xiàn)象規(guī)律;流固耦合需要滿足流體控制方程及固體控制方程條件，在流固耦合交界面，要保證固體的應(yīng)力、位移、溫度等參數(shù)保持守恒[1]。本文提到的單向流固耦合，主要通過交界面將流體傳遞給固體;并通過結(jié)果分析，可具體清晰化地描述出流場(chǎng)對(duì)固體區(qū)的影響。

2.數(shù)學(xué)建模

2.1 物理建模

就楔形雙閘板閘閥閥座構(gòu)成看，包括閥體、閥座及閥桿等部分，在具體工作運(yùn)行過程中，閘板需要依托閥桿進(jìn)行移動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)流體進(jìn)行通斷控制;基于楔形雙閘板閘閥本身密封性能顯著，將楔形雙閘板與閥座密封面進(jìn)行楔入時(shí)，可保證緊密結(jié)合效果;若閥座密封面加工精度不高或閥座密封面角度出現(xiàn)偏差時(shí)，可調(diào)整頂芯進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)而提升密封面加工精確度，保證楔形雙閘板閘閥密封效果。

2.1.1 物理建模過程中，搭建了流場(chǎng)模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)格的劃分，根據(jù)楔形雙閘板閘閥結(jié)構(gòu)特征相關(guān)參數(shù)條件，分析得出，楔形雙閘板閘閥具有平面對(duì)稱特性，為保證流場(chǎng)模型計(jì)算科學(xué)性，建模人員使用的是SolidWorks進(jìn)行三維模型搭建。主要對(duì)閥門流動(dòng)情況進(jìn)行模擬分析，通過閥門出口端增設(shè)流道的方法，有效規(guī)避了回流、速度的波動(dòng);在楔形雙閘板小開度網(wǎng)格劃分上，使用的是“三角形非結(jié)構(gòu)性單元”完成網(wǎng)格的劃分，將網(wǎng)格平均質(zhì)量控制在0.88～～0.98范圍內(nèi)，有效提高了計(jì)算結(jié)果的精確度。

2.1.2 邊界條件分析

就流體區(qū)域邊界條件看，需要參照楔形雙閘板閘閥特點(diǎn)及閥門管道中的流體屬性對(duì)邊界條件進(jìn)行確定，充分考量閘閥和出口端流速，因此，根據(jù)閘閥的在使用中的實(shí)際工況，將進(jìn)壓口壓力設(shè)定為10.8MPa，將出口的壓力設(shè)定為0.0。

2.1.3 計(jì)算結(jié)果分析

楔形雙閘板閘閥在開啟過程中，在流場(chǎng)壓力作用下，出口閥出現(xiàn)變形現(xiàn)象，仔細(xì)觀察發(fā)現(xiàn)，閥座頂部表面出現(xiàn)了裂紋、凹陷、斷裂現(xiàn)象，與閥座密封面出現(xiàn)脫離的狀態(tài);因此，根據(jù)試驗(yàn)分析，在小開度條件下，流場(chǎng)壓力、流場(chǎng)速度均與出口閥座變形有關(guān);試驗(yàn)人員，分別在楔形雙閘板閘閥開度在5～100%范圍內(nèi)，對(duì)取流道分別進(jìn)行計(jì)算，試驗(yàn)結(jié)果得出，楔形雙閘板閘閥進(jìn)口壓力在10.5MPa工況條件下，在閘板和在閘座之間形成了射流，射流速度達(dá)到了62.56m/s，此時(shí)監(jiān)測(cè)閥座流體壓力達(dá)到了5.08MPa，因此，試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)，楔形雙閘板閘閥閥座在高壓差流場(chǎng)工況下，會(huì)造成閥座失效;

3.優(yōu)化楔形雙閘板閘閥閥座結(jié)構(gòu)的有效對(duì)策

基于上文表述可知，楔形雙閘板閘閥在小開度情況下，受高壓差流程及速度因素影響，會(huì)造成閥座變形、凹陷及斷裂問題的出現(xiàn)，進(jìn)而造成的閥座屈服失效;基于此，為提升楔形雙閘板閘閥在具體工況中的應(yīng)用性能，保證良好的密封效果，設(shè)計(jì)人員對(duì)閥座結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，根據(jù)楔形雙閘板閘閥結(jié)構(gòu)特征，制定優(yōu)化改進(jìn)方案，通過增加閥座的剛性，解決上述問題，避免閥座出現(xiàn)失效問題;設(shè)計(jì)人員，綜合考量楔形閘閥的工況性能及參數(shù)，確保在相關(guān)參數(shù)指標(biāo)不改變的情況下，將閥座的外徑分別有5mm、10mm增加至15mm;通過增加閥座外徑的方式，增強(qiáng)了閥座結(jié)構(gòu)剛性;試驗(yàn)人員，再次使用單向流固耦合方式，對(duì)楔形雙閘板閘閥進(jìn)行有限元分析，并具體計(jì)算流場(chǎng)工況在惡劣情況下的運(yùn)行情況，進(jìn)而獲取到閘閥外徑增加后，最大的等效應(yīng)力，當(dāng)閘閥外徑增加至15mm后，發(fā)現(xiàn)出口閥座的等效應(yīng)力，低于允許的應(yīng)力，有限元分析結(jié)果證實(shí)，優(yōu)化改進(jìn)后的閥座結(jié)構(gòu)，滿足強(qiáng)度要求，大大提升了出口閥做的剛性，顯著改善了卸荷槽應(yīng)力集中問題，進(jìn)一步優(yōu)化了楔形雙閘板閘閥閥座性能;進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在閥座的外表面，研究成果證實(shí)，通過增加閥座的鋼性，能夠解決出口閥座剛性不足問題[2]。

結(jié)論：綜上所述，通過對(duì)楔形雙閘板閘閥閥座出現(xiàn)的密封失效原因進(jìn)行分析，并對(duì)閘閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)材料進(jìn)行更換，深化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，優(yōu)化焊接工藝，切實(shí)優(yōu)化楔形雙閘板閘閥閥座結(jié)構(gòu)，有效研究了影響閘閥卡滯的因素，具體找出解決問題的辦法，進(jìn)一步提升了楔形雙閘板閘閥閥座的應(yīng)用性能。本文研究發(fā)現(xiàn)，通過使用水壓試驗(yàn)方法，能夠有效驗(yàn)證楔形雙閘板閘閥的密封性能，并得出反饋結(jié)果，在有限元分析法支持下，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)值的模擬，并得出閘閥的等效應(yīng)力;通過增加閘閥座結(jié)構(gòu)剛性，實(shí)現(xiàn)對(duì)閥座結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和改進(jìn)，有效規(guī)避了閥座密封面時(shí)效問題，減少泄漏現(xiàn)象的出現(xiàn)，在試驗(yàn)分析過程中，證實(shí)了上述方式方法有效，具有科學(xué)性，對(duì)進(jìn)一步改進(jìn)楔形雙閘板閘閥閥座結(jié)構(gòu)，具有指導(dǎo)性意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙營昌，何慶中，廖伯權(quán).楔形雙閘板閘閥閥座的失效與改進(jìn)[J].機(jī)床與液壓，2021，49（05）：150-155.

[2]王宇峰，何慶中，陳雪峰.楔形雙閘板閘閥密封失效與結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].油氣儲(chǔ)運(yùn)，2019，38（06）：709-715.