蔣 威

（福建省特種設(shè)備檢驗研究院，福州 350000）

作為最重要的截斷類閥門之一，截止閥被廣泛應(yīng)用于石油、化工、航空航天和核電等重要領(lǐng)域。截止閥對其所在的管路中的介質(zhì)起著切斷和節(jié)流的重要作用。其密封是通過對閥桿施加扭矩，閥桿在軸向方向上向閥瓣施加壓力，使閥瓣密封面和閥座密封面緊密貼合，從而起到介質(zhì)截斷作用。截止閥在開啟和關(guān)閉過程中，由于其閥瓣進(jìn)口側(cè)承受高速流動介質(zhì)的沖擊力（見圖1），會使閥瓣向閥門出口側(cè)發(fā)生一定的歪斜。

對于大口徑和高壓力等級的截止閥，過大的介質(zhì)沖擊力將使閥瓣被流體推向側(cè)面，導(dǎo)致閥瓣與閥座無法密封；閥瓣密封面與閥座密封面產(chǎn)生的歪斜量過大，強行關(guān)閉后，密封面貼合不嚴(yán)密，密封副產(chǎn)生不均勻磨損和表面擦傷；閥桿、閥桿螺母和閥瓣組件受力不均勻，閥門啟閉卡澀，在極端條件下，還會造成閥桿彎曲損壞的現(xiàn)象，影響閥門密封性能和使用壽命。因此，對于大口徑和高壓力等級的截止閥，在設(shè)計過程中應(yīng)充分考慮降低介質(zhì)沖擊力對閥瓣歪斜量影響的方法，以提高閥門的密封可靠性和使用壽命。基于以上原因，筆者設(shè)計了如圖2所示的閥瓣雙導(dǎo)向結(jié)構(gòu)。

圖1 截止閥閥瓣開啟后承受的側(cè)向沖擊

圖2 雙導(dǎo)向閥瓣結(jié)構(gòu)

1 結(jié)構(gòu)特點

該截止閥閥瓣有兩處導(dǎo)向結(jié)構(gòu)：密封面以上的導(dǎo)向環(huán)以及密封面以下的三爪導(dǎo)向結(jié)構(gòu)（見圖3）。雙導(dǎo)向結(jié)構(gòu)能大大改善閥瓣的對中性，降低介質(zhì)沖擊力對閥瓣歪斜量的影響。特別對于高磅級截止閥，即使高速度或高壓力差對閥瓣側(cè)向產(chǎn)生沖擊力，也能保證閥瓣與閥座密封面的正常位置，提高了閥門的密封可靠性及使用壽命。

圖3 雙導(dǎo)向閥瓣

2 閥瓣歪斜量計算分析

對于大口徑和高壓力等級的截止閥，在設(shè)計過程中有必要對其閥瓣的歪斜量進(jìn)行計算和分析，以明確介質(zhì)沖擊對閥瓣位置變化的影響，從而改善導(dǎo)向設(shè)計，優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。圖4為簡化的閥瓣歪斜示意圖，表示在極限條件下，閥瓣在即將完全關(guān)閉時的歪斜情況。

圖4中，φDmax為導(dǎo)向孔最大極限尺寸，φdmin為閥瓣外圓最小極限尺寸，φd1為閥瓣小頭尺寸，α為閥瓣歪斜角度，L1為閥瓣總高，L2為閥瓣有效導(dǎo)向長度，L3為閥瓣頭偏斜后與中心線最遠(yuǎn)距離，L4為閥瓣頭歪斜量，L5、L6、L7為中間過程計算量。

為了使閥瓣在發(fā)生歪斜后仍能實現(xiàn)其基本的密封性能，必須滿足：

由圖4可得：

以J41W-1600LB截止閥為例，當(dāng)其閥瓣形狀為圖1和圖2所示時，分別計算其閥瓣歪斜量。

圖4 閥瓣歪斜示意圖

2.1 圖1所示單導(dǎo)向閥瓣歪斜量

其中，導(dǎo)向孔最大極限尺寸φDmax=106.22mm，閥瓣外圓最小極限尺寸φdmin=105.4mm，閥瓣小頭尺寸φd1=89mm，閥瓣總高L1=170mm，閥瓣有效導(dǎo)向長度L2=73mm，閥座孔直徑φD1=92mm。將以上數(shù)據(jù)代入式（1）、式（2）、式（3）可得：L3=45.99mm＜0.5φD1=46mm，滿足要求。

2.2 圖2所示雙導(dǎo)向閥瓣歪斜量

其中，導(dǎo)向孔最大極限尺寸φDmax=106.22mm，閥瓣外圓最小極限尺寸φdmin=105.4mm，閥瓣小頭尺寸φd1=89mm，閥瓣總高L1=170mm，閥瓣有效導(dǎo)向長度L2=L1=170mm，閥座孔直徑φD1=92mm。將以上數(shù)據(jù)代入式（1）、式（2）、式（3）可得：L3=44.91mm＜0.5φD1=46mm，滿足要求。

對比兩種閥瓣導(dǎo)向結(jié)構(gòu)的閥瓣歪斜量計算結(jié)果可知，在相同條件下，圖2所示的雙導(dǎo)向結(jié)構(gòu)閥瓣具有更小的歪斜量，對中性能更好。對于單導(dǎo)向閥瓣，其實際導(dǎo)向長度要達(dá)到73mm才能滿足歪斜量要求（經(jīng)計算，當(dāng)L2＜73mm時，L3＞0.5φD1，在極限條件下，閥瓣密封面將與閥座密封面脫離，密封失效）；而雙導(dǎo)向結(jié)構(gòu)閥瓣為全程導(dǎo)向，閥瓣總高即為實際有效導(dǎo)向長度，在考慮其強度和磨損余量的基礎(chǔ)上可以大大縮短上導(dǎo)向環(huán)的寬度，更小的上導(dǎo)向尺寸也能大大節(jié)省閥體中腔的空間，優(yōu)化了閥體結(jié)構(gòu)。

3 設(shè)計優(yōu)缺點

3.1 優(yōu)點

一是雙導(dǎo)向結(jié)構(gòu)能有效地降低介質(zhì)沖擊力對閥瓣歪斜量的影響，能大大改善閥瓣的對中性，確保閥瓣在運動時不會傾斜或翹起而導(dǎo)致密封副不均勻磨損和泄露。二是閥瓣導(dǎo)向與閥體精密配合，保證了閥瓣與閥座的同軸度要求，還可防止在閥桿上產(chǎn)生側(cè)面推力。雙導(dǎo)向結(jié)構(gòu)可以確保閥桿受力均衡，閥門啟閉靈活，不會發(fā)生卡澀現(xiàn)象。三是該結(jié)構(gòu)能在一定程度上優(yōu)化閥體結(jié)構(gòu)，降低整機重心，提高抗震性能。

3.2 缺點

一是雙導(dǎo)向閥瓣結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，對加工工藝要求更高，提高了生產(chǎn)成本。二是密封面以下的三爪導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，容易對閥門流通能力（流阻）產(chǎn)生影響，因此在保證導(dǎo)向爪的強度的基礎(chǔ)上，其截面尺寸不宜過大，而且應(yīng)當(dāng)對稱布置。裝配時應(yīng)注意閥瓣導(dǎo)向爪避開入口通道，以降低其對流阻的影響。必要時應(yīng)進(jìn)行流量流阻分析或試驗。

4 結(jié)語

雙導(dǎo)向閥瓣結(jié)構(gòu)在高磅級截止閥中具有一定的應(yīng)用意義，適用于高壓、高風(fēng)險和對閥門密封性能及可靠性要求較高的工況，能有效地降低介質(zhì)沖擊力對閥瓣歪斜量的影響，提高閥門的密封性能和使用壽命。

[1]沈陽閥門研究所《閥門設(shè)計》編寫組.閥門設(shè)計[M].沈陽：沈陽閥門研究所，1976：26-28.

[2]陸培文.實用閥門設(shè)計手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，2007：65-69.

[3]陸培文.高鳳琴.閥門設(shè)計計算手冊[M].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009：121-123.

[4]楊源泉.閥門設(shè)計手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，1992：54.

[5]成大先.機械設(shè)計手冊[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002：83-85.