上海沪工阀门厂(集团)有限公司

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摘要:本文介绍了闸阀阀座受外压作用的概念,并使用应力分析设计方法对闸阀阀座进行了应力强度校核。

关键词闸阀阀座外压应力分析

1 引言

闸阀是一种常用的截断阀,用来接通或截断管路中的介质,但不适于调节介质的流量。它的启闭件(阀瓣)在垂直于阀内通道中心线的平面作升降运动,像闸门一样截断介质,故称作闸阀。闸阀按其阀瓣结构形式可以分为楔式弹性闸板、楔式刚性单闸板、楔式刚性双闸板、平行刚性单闸板、平行双闸板等。

下面以楔式刚性双闸板为例,具体的介绍一下闸阀阀座受力情况。

2 闸阀阀座受力分析

双侧密封式闸阀是通过增强阀瓣对阀座的推力而实现的,接触压力应大于进口流体的压力。这种闸阀的缺点是,如果在冷态下闭合,后来进入热态,阀瓣就会出现膨胀,于是形成闭合位置卡紧,当再次开启阀门时就会遇到困难,这种情况就是俗称的“下炕”。良好状态的闸阀都是实现单侧密封。平行式闸阀也只能与出口位置的阀座实现单侧密封。标准的楔式阀瓣闸阀情况也一样,压力使进口侧阀瓣变形,流体流过进口侧阀瓣直至阀腔达到压力平衡。由此引出出口处阀座受介质外压作用而产生的强度问题。

实现单侧密封的阐阀图(图 1)
图 1 实现单侧密封的阐阀

如图 1 所示,介质进入阀体中腔后,作用于出口侧(左侧)的阀瓣,在左侧阀座与阀瓣密封面处形成一个密封比压,阻止介质的流通。同时介质作用于阀体与左侧阀座之间的间隙,使左侧阀座外侧受到介质压力的作用。在对左侧阀座进行强度计算时,就是应对阀座受外压的状态进行分析,而使用规则设计的设计方法已经不能解决如此复杂的问题。在本文中采用分析设计的设计方法进行楔式双闸板阀座的强度校核。

通过对阀座的受力分析可知,阀座与阀体焊接处为固定约束,阀座外腔受到介质压力的作用,阀座密封面处受到阀瓣的密封比压的作用,详细的受力情况如图 2 所示。

闸阀阀座受力分析图(图 2)
图 2 阀座受力分析

把实体模型转入 ANSYS 中进行分析,选择砖型六面体单元 Solid45,输入材料的弹性模量和柏松比(如《表 1》所示),采用自由网格划分模型,默认求解器求解,得出阀座的应力云图和应变云图。

《表 1》 材料为 12Cr1MoV
弹性模量(MPa) 2.140e+006
柏松比 0.286
质量密度(Kg/mm2 7.86e-012
屈服拉伸强度(MPa) 255
极限拉伸强度(MPa) 470

由应力分析云图可知,阀座的最大应力出现在阀座内腔与阀座和阀体焊接连接处,阀座形状在该位置变化较为剧烈且存在尖角,应属于峰值应力,在该处选取应力评定线,按 JB4732-95 的应力分类原则(如《表 2》所示)对应力评定线上的应力进行分类,得出评定线上的薄膜应力和弯曲应力,分别与限定值进行比较,即可得出阀座的设计是否合理。

《表 2》 各类应力强度的限制
类别 符号 计算值 限制值
一次薄膜应力 MEMBRANE Pm Sm
一次薄膜+弯曲应力 MEM+BEND Pm+Pb 1.5Sm

3 结论

通过应力分析设计方法可以对闸阀阀座进行应力强度校核,同时可以得出阀座设计是否合理。


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