超高壓閘閥強度有限元分析

韓雪峰，匡茜茜，王寅

（江蘇蘇鹽閥門機械有限公司，江蘇 鹽城 224500）

隨著天然氣、石油等能源探明儲量不斷增加，非常規油氣井口裝置得到更廣泛的應用。平板閘閥是井口裝置中的重要組成部件。平板閘閥的工作原理為閥桿帶動閘板在豎直方向上往復運動實現閘閥流體通道的通斷，而閘板的運動方向與流道軸線垂直。超高平板閘閥是一種典型的壓力容器。閘閥在工作過程時，介質常常帶有高壓，極端情況下介質壓力可達到140MPa。閘閥閥體、閘板等關鍵零部件需要具有足夠的強度以承受介質高壓，確保現場使用過程中不出現失效破壞，保障現場工人的人身安全。針對超高壓閘閥在超高壓工況下的服役安全性，工程技術人員開展了大量的研究。黃加桌等人通過加厚閥體底部的厚度，增加底部加強筋的數量等方式對平板閘閥底部結構進行了優化，并利用有限元方法驗證了可行性。李艷等人研究了平板閘閥的介質流動規律和關鍵零部件的應力強度，并依據分析結果改進了平板閘閥的結構。本文以超高壓閘板閥為對象，采用有限元方法計算了高壓作用下閥體和閘板的應力強度，結合閥體與閘板的應力分布規律，確定閥體與閘板的危險區域，為后續閥體及閘板的補強和優化提供參考。

1 閘閥結構

超高壓閘閥由閥桿護套、手輪、止推軸承、閥桿螺母、閥桿、軸承座、閥蓋、閥體、閥板、閥座和尾桿等組成，如圖1所示。其中，閥板與閥桿之間通過T型槽連接并傳遞運動，閥板與閥座在波形彈簧的張力作用下相互貼緊。圖2、圖3所示為閥體和閘板，閥體本體有一組相互貫穿的十字孔，其相貫區域的幾何不連續處是應力集中現象的高發區域，同時閘板上的圓形通孔在高壓作用下同樣存在圓孔應力集中。

圖1 超高壓平板閘閥

圖2 閥體的三維模型

圖3 閘板的三維模型

從閘閥各部件的受力角度考慮，下文中將聚焦于閥體與閘板2個關鍵零部件。同時為了便于后續閘板及閥體的有限元模型建立，忽略了閥體上用于法蘭連接的螺紋孔、倒角等特征。閘板結構同樣也做簡化處理，忽略閘板上部的T型槽，將閘板上部分做實心處理，下部分的流體通道保留，且孔徑應與流道直徑相同。

2 有限元模型

2.1 有限元模型

閥體是直接與高壓流體接觸的部件，且閥體上的十字相貫孔使得閥體的內腔結構復雜，存在多處應力集中區域。閥體采用六面體單元劃分網格，網格尺寸為10mm，為了保證計算結果準確性，在閥體與閘板的交接區域還需要進行單獨加密處理。模型離散后產生224773個節點、64324個單元。如圖4所示。

圖4 網格模型

閘板作為流體流通的控制開關，在閥門處于全開狀態時，承載的大小幾乎可以忽略不計，因此僅考慮閥門處于全閉狀態，閘板受到高壓流體對其密封區域的壓迫。因為閘板結構相對簡單，采用四面體單元劃分也能保證足夠的計算精度，四面體單元尺寸同樣為10mm，對其承載區進行單獨加密處理，在模型網格化后具有118788個節點、81856個單元。如圖4所示。

2.2 材料力學性能

閘閥的檢驗既要求對帶壓力作用下的密封性能，又要求閘板具有足夠的抗拉強度。API600-2009、GB/T12234-2007及API591-2008等標準對閘板抗拉強度提出了詳細的要求。

閘閥的流通介質為高壓流體，因此閥體和閘板的材料在高壓作用下應具備高的機械性能，閥體與閘板材料均選擇為優質合金鋼，并經調質處理提高其材料性能，保證硬度207～237HB，其力學相關參數如表1。

表1 閥體材料性能參數

2.3 載荷與邊界條件

閥體與閘板的載荷及邊界條件主要根據閘閥的工況。由于閘閥只能作全開和全關動作，不能用于調節和節流，所以僅分析全開或者全閉狀況下的閥體和閘板強度。然而在閘閥整個的工作過程，全開及全閉工況下，閥體與閘板的受力形式、大小及邊界條件存在顯著差異。但是，在全開狀態下，閥體與高壓介質的接觸面積更大，閥體及閘板需要承受的外載荷相對于關閉工況下更高。鑒于上述情況，后續過程中將以更危險的全開工況施加載荷與邊界條件。閘閥的工作壓力為140MPa，全部作用于閥體內流道和中腔表面。在采油作業現場，閘閥通過位于閥體兩側的法蘭與其它的閥門或管道連接并固定。同時本文主要關注法蘭中腔相貫線區域的應力狀態，根據圣維南原理，法蘭端的約束對中腔相貫線處的應力強度沒有影響，因此后續分析過程中在閥體兩側法蘭面上施加固定約束。

閘板在工作過程中，閘板處于全閉時載荷最大，其所受最大介質壓力為140MPa。閘板在全閉時，其頂部通過T型槽及閥桿限位。因此分析過程中，閘板僅需要約束閘板頂部平面的所有位移。

3 結果與分析

圖5所示為140MPa介質壓力作用下閥體的Mises應力分布。從圖6中可以看出，閥體的應力分布呈左右對稱，閥體中腔區域的應力較低，閥體流道區域的應力較高，主要原因是閥體中腔的壁厚大于流道區域，且流道的直徑明顯小于中腔直徑，同等壓力作用下，由于小孔應力集中效應，流道內腔的應力強度會高于中腔內壁應力。其次，從Mises應力分布還可發現，在流道和中腔相貫線處的下側存在最大應力，達到411.36MPa，但低于材料的屈服強度。整體應力分布表明位于流道內表面下側區域的應力高于上側。

圖5 閥體應力分布圖

圖6所示為閥體的變形云圖。從中可以看出最大變形位移在閥體的相貫線處，變形量為0.197mm。在閥體中腔處的厚度為100mm，則其變形量約為0.19%，一般在工程實際應用中變形量小于1%即可，因此閥體的變形也在允許范圍內。

圖6 閥體變形分布云圖

整體上看來，閥體在高壓介質作用下的應力仍在彈性范圍內，能夠承受140MPa的介質壓力，滿足設計需求。

圖7 及圖8分別為關閉狀態下的應力和變形云圖。由圖7可知，閘閥處于全閉狀態時，應力最大值位于頂部約束平 面的邊緣處，最大應力值為411.45MPa。而根據表1中閘板材料的力學性能，其屈服強度為620MPa，Mises應力的最大值小于屈服強度，滿足設計要求。

圖7 閘板的壓力分布圖

圖8 閘板的變形分布圖

圖8表明，閘閥處于全閉狀態時，最大變形處在流體沖擊閘板的中心區，最大變形為0.179mm。在最大變形處的閘板厚度為46mm，其變形量為0.39%，而工程中變形量小于1%即可，顯然達到設計標準。

4 結語

本文以某公司生產的超高壓閘閥為對象，采用有限元方法計算了閥體和閘板在140MPa壓力作用下的應力和變形，所得結論如下：

（1）閥體的最大應力點位于相貫線下側，且位于流道下側表面的應力高于流道上側表面。

（2）超高壓閘閥的閥體和閘板在140MPa作用下的應力和變形均在許用范圍內，能夠滿足設計需求。