上海沪工阀门厂(集团)有限公司

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摘要:通过有限元分析以及试验结果结合,分析了 API 6A 高磅级暗杆平板闸阀实现阀前密封的技术难点。

关键词高磅级暗杆闸阀阀前密封

一、前言

API 6A 暗杆平板闸阀阀前密封原理:在没有压力或低压的情况下,通过阀座后的波形弹簧提供预紧力,推动阀座压向闸板,并与之贴合实现密封,当有压力时,通过阀座前后形成的密封比压,产生推力,使阀座向闸板移动并且贴合在入口端实现密封。

一般情况下,闸板的厚度大于设计计算得出的闸板最小厚度即可,但是由于暗杆平板闸阀闸板中间设计不通孔以装配阀杆,导致受压时闸板变形量过大。而且经过密封试验,这一系列的阀门均在闸板上口出现了不同程度的泄漏。根据几台样机出现的不同结果,结合其相应闸板的单边厚度,分析得出,其出现泄漏及泄漏的程度都与闸板单边厚度有关,故采用 COSMOS 有限元分析与试验相结合的方式来解决这个难点。

二、分析闸板厚度对受压变形的影响

首先,对闸阀 2-1/16GBN Ⅰ 10MJ 的闸板进行分析,通过有限元分析得出同一种闸板不同厚度的变形情况:

l)改进前闸板厚度 42mm,闸板单边厚度 7mm,如图 1 所示,图 2 是在10000psi(1psi=6.895kPa)压力下闸板的位移量,密封面最外圈从闸板下口开始逆时针方向测量一周的位移量如图 3。

图 1 改造前闸板
图 1 改造前闸板
图 2 改造前闸板位移量
图 2 改造前闸板位移量
图 3 密封圈一周位移量
图 3 密封圈一周位移量

分析结果,得出:闸板受压时,闸板上口为变形即位移最大处,最大位移为 0.026mm,闸板左右两侧为变形即位移最小处,最小位移为 0.011mm 左右,相对位移为 0.015mm。

2)改进后闸板厚度 48mm,闸板单边厚度 10mm,在 10000psi 压力下闸板的位移量如图 4,图 5 表示密封面最外圈从闸板下口开始逆时针方向测量一周的位移量。

图 4 改造后闸板位移量
图 4 改造后闸板位移量
图 5 改造后密封面一周位移量
图 5 改造后密封面一周位移量

分析结果,得出:闸板受压时,闸板上口为变形即位移最大处,最大位移为 0.0205mm,闸板左右两侧为变形即位移最小处,最小位移为 0.014mm 左右。相对位移为 0.0065mm。

其次,对闸阀 3-1/16GBN Ⅰ10MJ 的闸板进行分析,通过有限元分析得出同一种闸板不同厚度的变形情况,测量方法同前,从闸板密封面下口开始沿密封圈外圆逆时针方向测量。

闸板厚度为 50mm,闸板单边厚度 7mm 时,在 10000psi 压力下密封面最外圈从闸板下口开始逆时针方向测量一周的位移量如图 6,闸板厚度为 60mm,闸板单边厚度 12mm 时,密封面最外圈从闸板下口开始逆时针方向测量一周的位移量如图 7。

图 6
图 6 闸板厚度为 50mm,闸板单边厚度 7mm 时密封面一周的位移量
图 7
图 7 闸板厚度为 60mm,闸板单边厚度 12mm 时密封面一周的位移量

同理,闸板厚度为 50mm 时,最大位移为 0.038mm 左右,最小位移为 0.014mm 左右。相对位移为 0.024mm;厚度为 60mm 时,最人位移为 0.0301mm 左右,最小位移为 0.017mm 左右。相对位移为 0.0131mm。

三、分析阀座密封面宽度对受压变形的影响

对闸阀 3-1/16GBN Ⅰ 15MJ 的闸板进行分析,理论分析得知,如果密封面宽度稍微加大,可以增加受压时闸板的支撑面积,如图 8 所示,可以减小受压时的变形,通过有限元分析,得出如下结论。

图 8 闸板支撑面积
图 8 闸板支撑面积

闸板厚度为 60mm,单边厚度为 13mm 时分析得出的密封面变形位移如图 9,最大位移最为 0.047mm 左右,最小位移为 0.026mm,相对位移量为 0.021mm。

图 9
图 9 闸板厚度为 60mm,单边厚度为 13mm 时密封面变形位移

闸板厚度为 66mm,单边厚度为 16mm,密封面宽度不变时,分析得出的密封面变形位移如图 10,最大位移量为 0.0445mm 左右,最小位移为 0.0275mm,相对位移量为 0.017mm。

图 10
图 10 闸板厚度为 66mm,单边厚度为 16mm 时密封面变形位移

闸板厚度为 60mm,单边厚度为 13mm 密封面宽度增加 1.5mm 时分析得出的密封面变形位移如图 11,最大位移量为 0.044mm 左右,最小位移为 0.025mmm,相对位移量为 0.019mm。

图 11
图 11 闸板厚度为 60mm,单边厚度为 13mm,密封面宽度增加 1.5mm 时分析得出的密封面变形位移

闸板厚度为 66mm,单边厚度为 16mm,密封面宽度增加 1.5mm 时分析得出的密封面变形位移如图 12,最大位移量为 0.043mm 左右,最小位移为 0.027,相对位移量为 0.016mm。

图 12
图 12 闸板厚度为 66mm,单边厚度为 16mm,密封面宽度增加 1.5mm 时分析得出的密封面变形位移

四、结论

根据以上分析结果,不难看出,影响密封的因素主要有两个:第一是闸板的厚度,第二是密封面宽度。尤其是在更高磅级的情况下,密封面的宽度起着比较大的作用。不仅如此,在改变闸板厚度等因素时,还应将与之相关联的尺寸也进行相应的改变,不要产生过大的厚度差。

根据理论分析进行改进的 3 台样机已经全部试验成功。因此在设计计算时,闸板的厚度除了要满足计算的结果之外,还要符合分析结果;密封面的计算不仅要满足密封比压的要求,还应特殊考虑阀前密封这一特点。两者结合考虑,可大大改善阀门的密封性能,达到分析结果满足闸板密封面最外侧的相对变形位移量在 0.015mm 左右。

API 6A 阀门磅级大于或等于 10000psi 的阀门属于高磅级阀门,虽然比较不容易实现,但是在理论分析与试验相结合的努力下,API 6A 高磅级暗杆平板阀前密封类别的阀门设计试验初见成效,已有几台样机试验成功。但是更多的可能影响暗杆闸阀阀前密封性能的因素还值得进一步去探讨和研究。


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