DN2400PN10特大型活塞式調流閥結構設計

丁昌斌，李志鵬

（1.博納斯威閥門股份有限公司，天津 301802；2.長沙理工大學，湖南 長沙 410114）

人多水少，水資源時空分布不均，水資源供求矛盾突出是我國的基本國情。興建必要的引調水工程是優化我國水資源配置戰略格局，緩解資源性缺水矛盾，提高水資源安全保障能力的重要措施。近幾年，我國引調水工程在數量上呈現逐漸增多以及逐漸加快的趨勢，規模上也呈現逐步增大的趨勢，而調流閥在引調水工程中的運用也越來越多，并且口徑也越來越大，在黃水東調二期工程中就需要配套DN2400mm、PN10bar特大型活塞式調流閥。本文結合工程中對調流閥的具體要求，對黃水東調二期工程中全球最大口徑的DN2400mm、PN10bar活塞式調流閥進行全新設計，以滿足工程工況調節流量的要求。

1 結構設計

調流閥采用活塞軸對稱的結構，介質流道呈流線紡錘形設計，出口處介質向軸心收縮，閥體內置雙曲柄連桿機構驅動活塞。活塞式調流閥安裝于調控閥井處，閥門口徑DN=2400mm，公稱壓力PN=10bar，閥門前后壓差△P=10m，流量調節范圍Q=0-5m3/s。

1.1 閥體結構設計

大型調流閥的結構長度一般取值為1.5DN，具體結構長度根據設計要求確定。DN2400調流閥結構長度初步確定為3600mm，由于閥體的長度太長，無法加工閥體端法蘭及內腔，則需要將閥體分段設計。而閥體分段的設計方案有三種形式，具體型式如圖1所示。

圖1 閥體三種分段形式

型式（a）中分別在閥體上游端和下游端分段，分為進水閥體、中間體和出水閥體三個部件，進水閥體長度為900mm，中間體長度為1900mm，出水閥體長度為1000mm，總長為3800mm。進水閥體、中間體和出水閥體之間采用法蘭連接形式，加工有定位止口定位，法蘭連接面設置有兩道O形密封圈保證法蘭面密封。分段后長度滿足加工設備的加工范圍。

型式（b）中在閥體上游端分段，分為進水閥體和出水閥體兩個部件，進水閥體長度為900mm，出水閥體長度為2700mm，總長為3600mm。進水閥體和出水閥體之間采用法蘭連接形式，加工有定位止口定位，法蘭連接面設置有兩道O形密封圈保證法蘭面密封。分段后長度滿足加工設備的加工范圍。

型式（c）中在閥體下游端分段，分為進水閥體和出水閥體兩個部件，進水閥體長度為2700mm，出水閥體長度為1000mm，總長為3700mm。進水閥體和出水閥體之間采用法蘭連接形式，加工有定位止口定位，法蘭連接面設置有兩道O形密封圈保證法蘭面密封。分段后長度滿足加工設備的加工范圍。

將閥體分段的三種型式進行比較，其中型式（a）的結構長度最長，并且多一對連接法蘭，重量最重，成本最高，但易于加工；型式（b）結構長度最短，重量最輕，并且閥體內腔導軌部分沒有分段，能夠保證導軌的同軸度；型式（c）結構長度比型式（a）短，比型式（b）長，重量處于型式（a）和型式（b）之間，由于是閥體下游端分段，導軌部分也是分段加工，這樣閥體的整體加工精度沒有型式（b）好。通過以上三種型式的比較，選擇重量輕，成本低，并且易于保證閥體整體加工精度的型式（b）最合適，也能滿足閥門的設計要求。

1.2 閥體軸座部分設計

由于閥門口徑大，閥體最大外圓直徑達到了3240mm，則閥軸的長度達到了2800mm，閥體內支撐閥軸的軸座鏜孔深度達到了2630mm，鏜床無法加工。為了解決閥體軸座加工問題現將閥體軸座部分設計為通孔式，如圖2所示。加工時，先加工中法蘭端的軸孔，然后將閥體旋轉180°，再加工對稱端的軸孔，以便于滿足閥體軸孔的加工要求。

圖2 閥體軸座

1.3 其他部件設計

為了便于調流閥鼠籠位置清理渣滓，在閥體下游端周圈設置有檢修孔，如圖3所示。其余部件設計采用常規設計方案，即可滿足設計要求。

圖3 閥體下游端

2 主要部件有限元分析

三維有限元分析軟件采用多階高次方程幾何分析方式對三維模型進行有限元分析，目的是為了檢驗閥門主要受力部件（閥體、活塞、活塞架）剛強度性能是否滿足許用要求。

2.1 閥體有限元分析

根據實用閥門設計手冊閥體壁厚計算公式：

式中，tB’為計算厚度，mm；P為計算壓力，10bar；Dn為閥體最大內徑，3240mm；σL：許用拉應力，58MPa；C為腐蝕余量，3mm。

計算得tB'=39.7mm，取閥體壁厚實際值=45mm，大于，滿足設計要求。

閥體分為進水閥體和出水閥體兩部分，分別進行有限元分析，全部采用多階高次方程曲線幾何劃分網格，在殼體試驗壓力1.5MPa閥門處于全開狀態下進行應力和形變仿真計算，其材料為QT450-10，屈服強度為310MPa，由于整個閥門屬于對稱結構，所以在滿足仿真要求的基礎上取閥體的一半結構進行仿真計算，應力仿真結果如圖4所示，形變仿真結果如圖5所示。

圖4 進水閥體應力仿真圖

圖5 進水閥體形變仿真圖

由進水閥體應力仿真圖可以看出進水閥體應力集中出現在進水閥體的入口區域內側。最大應力值70.098MPa小于屈服強度（310MPa）的1/3(103MPa)，滿足設計要求。

由進水閥體形變仿真圖可以得知最大形變出現在進水閥體的中間區域，并向兩邊逐漸縮小。最大形變值為0.2869mm，滿足設計要求。

得到出水閥體應力仿真云圖如圖6所示，形變仿真云圖如圖7所示。

圖6 出水閥體應力仿真圖

圖7 出水閥體形變圖

由出水閥體應力仿真圖可以得知，其應力集中出現在出水閥體外殼內側導流板附近區域和出水閥體外殼外側導流板之間的區域。最大應力值101.96MPa小于屈服強度（310MPa）的1/3(103MPa)，滿足設計要求。

由出水閥體形變圖可以看出，最大形變集中出現在出水閥體外殼導流板之間的區域，并由區域中心向四周逐漸縮小。最大形變值為0.54617mm，滿足設計要求。

2.2 活塞有限元分析

對活塞部分進行有限元分析，全部采用多階高次方程曲線幾何劃分網格，在密封試驗壓力1.1MPa閥門處于全關狀態下進行應力和形變仿真計算，其材料為06Cr19Ni0，屈服強度為205MPa，由于活塞屬于對稱結構，所以在滿足仿真要求的基礎上取活塞的一半結構進行仿真計算，得到其應力仿真如8圖所示，變形如圖9所示。

圖8 活塞應力仿真圖

圖9 活塞形變仿真圖

由活塞應力仿真圖可以看出其應力集中主要出現在導軌與活塞相接觸部分的內側面。最大應力值43.122MPa小于屈服強度（205MPa）的1/3(68MPa)，滿足設計要求。

由活塞形變仿真圖可以看出活塞的最大形變出現在活塞與水直接接觸的各個面，并由各個面的中心向四周逐漸縮小。最大形變值為0.081996mm，滿足設計要求。

3 結語

（1）閥門結構型式合理，且重量最輕，成本最低，滿足設計、制造要求。

（2）閥門主要部件經過有限元分析，從應力分布云圖上可以看出，主要部件局部應力和平均應力均滿足許用要求，剛強度滿足設計要求。