劉帥帥 何世權(quán) 李 力 韋彥強(qiáng)

（南京工業(yè)大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院）

金屬硬密封球閥是廣泛應(yīng)用的一種球閥，在較高的介質(zhì)壓力和工作溫度下可以保持工作的穩(wěn)定性，并且在耐磨性、耐腐蝕性和密封性上具有一定的優(yōu)勢(shì)［1］。閥門在較高的溫度和壓力下工作時(shí)，除了要承受介質(zhì)壓力和彈簧預(yù)緊力的載荷作用外，還要承受高溫變形所產(chǎn)生的熱應(yīng)力沖擊，經(jīng)過多次啟閉后，閥座密封面極易發(fā)生泄漏，閥桿啟閉扭矩也會(huì)變大，甚至?xí)霈F(xiàn)球體卡死現(xiàn)象［2，3］。

金屬硬密封球閥通過金屬閥座與金屬球體硬接觸產(chǎn)生的塑性變形達(dá)到密封效果，閥座可在閥體嵌入槽中滑動(dòng)，在球體受熱膨脹時(shí)閥座組件可以滑動(dòng)［4］。密封失效是該閥門常見的失效形式［5］，跟閥座密封聯(lián)系最為緊密的就是密封比壓。目前，很多學(xué)者只考慮了在介質(zhì)壓力和預(yù)緊力工況下，密封比壓的變化，而忽略了溫度所產(chǎn)生熱應(yīng)力的影響。在此，筆者以Class900型金屬硬密封球閥為研究對(duì)象，通過有限元軟件ANSYS Workbench中的熱力學(xué)和靜力學(xué)模塊，對(duì)閥門在全開工況下的密封特性展開研究，從密封面寬度和壓力角兩方面分析其密封比壓的變化特點(diǎn)，進(jìn)而對(duì)閥座的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化提出完善方法。

1 閥門結(jié)構(gòu)及工況參數(shù)

采用Solidworks軟件建立球閥的三維實(shí)體模型，球閥主要由閥體、閥蓋、閥座、閥桿、球體及底軸等部件組成。去除倒角、倒圓等特征以利于數(shù)值模擬的收斂。由于只研究閥座與球體接觸部位的密封面，故將閥門模型進(jìn)行簡化，只分析一半模型（圖1），即只保留兩端閥座、球體、閥體和閥蓋的模型。

圖1 簡化的球閥三維實(shí)體模型

球閥密封結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：

公稱直徑 202mm

壓力等級(jí) Class900

適用溫度 -29～425℃

結(jié)構(gòu)形式 固定式

密封面內(nèi)徑D1216mm

密封面外徑D2228mm

球體半徑R 162mm

壓力角α 44.5°

2 密封比壓及彈簧預(yù)緊力計(jì)算

2.1 密封比壓

合適的密封比壓能夠保證閥門的安全工作和高效運(yùn)行，若比壓分布不合理會(huì)導(dǎo)致泄漏失效［6］。密封必需比壓qb是為了滿足密封在密封單位面積上所需的最小壓力，其計(jì)算式為［7］：

式中 bm——密封面寬度，mm；

m——與流體性質(zhì)相關(guān)的系數(shù)（常溫水m=1.0，高溫氣體、液體m=1.4）；

p——介質(zhì)壓力，MPa。

取m=1.4、p=15MPa、bm=6mm，計(jì)算得到所需密封必需比壓qb=33.4MPa。

密封單位面積上所能承受的最大壓力為許用比壓。球體和閥座材料均為F304，由《球閥設(shè)計(jì)與選用》可查，該材料的密封面許用比壓［q］=150MPa［7］。密封比壓既要大于密封必需比壓，又要小于許用比壓［8］，即qb

2.2 彈簧預(yù)緊力

球閥在工作狀態(tài)下，除了受溫度熱應(yīng)力和介質(zhì)壓力的作用外，還受到彈簧預(yù)緊力的作用，其中彈簧預(yù)緊力Q可按下式計(jì)算：

式中 qmin——預(yù)緊所必需的最小比壓，取2MPa。

代入相關(guān)數(shù)值，計(jì)算得到彈簧預(yù)緊力Q=8365N。

3 模型邊界條件

3.1 溫度場(chǎng)條件設(shè)置

在Steady-State Thermal模塊中對(duì)簡化模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，閥座通過sweep掃掠方式控制網(wǎng)格精度。設(shè)置閥座與球體的接觸方式為摩擦接觸，摩擦系數(shù)為0.2，使用高階拉格朗日公式和高斯點(diǎn)探測(cè)方法。根據(jù)表1［9］選取介質(zhì)工作溫度200℃、壓力13.0MPa，閥體外表面溫度設(shè)為環(huán)境溫度，進(jìn)行溫度場(chǎng)分析，得到的溫度場(chǎng)分布云圖如圖2所示。

圖2 球閥溫度場(chǎng)分布云圖

表1 Class900壓力-溫度等級(jí)表

3.2 熱固耦合場(chǎng)條件設(shè)置

在Static Structural模塊中設(shè)置材料屬性，閥體和閥蓋材料為WCB，閥座和球體材料為F304，分別賦予密度、彈性模量和泊松比。閥座與球體接觸設(shè)置與上述相同，其余默認(rèn)為綁定接觸。邊界條件設(shè)置如圖3所示，閥體兩端為固定約束，球體上下與閥桿連接部位設(shè)置Remote Displacement約束，限制y軸方向的移動(dòng)，由于閥座在彈簧預(yù)緊力和介質(zhì)壓力作用下能前后移動(dòng)，具有補(bǔ)償作用，所以定義閥座為Cylindrical Support約束，沿x軸方向自由移動(dòng)。閥座兩端各施加預(yù)緊力4 182N，內(nèi)部介質(zhì)壓力為13.0MPa并作用于內(nèi)壁，將得到的溫度場(chǎng)結(jié)果導(dǎo)入，以便進(jìn)行熱固耦合場(chǎng)的模擬分析。

圖3 邊界條件設(shè)置

4 密封比壓的影響因素

4.1 密封面寬度

加大密封面寬度可以減少閥門中的磨損，但密封面寬度過大又會(huì)增加泄漏的風(fēng)險(xiǎn)。因此，為了研究閥座密封面寬度對(duì)密封比壓的影響，在保持原始?jí)毫?4.5°不變的基礎(chǔ)上，分別取5組密封面寬度數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬，得到了不同密封面寬度對(duì)應(yīng)的密封比壓值（表2）。由表2可以看出，隨著密封面寬度的增加，密封比壓逐漸減小，當(dāng)密封面寬度大于8mm以后，密封比壓降低得不再明顯。密封比壓過大會(huì)導(dǎo)致球體與閥座摩擦力增大，所以密封比壓只需大于密封必需比壓33.4MPa即可滿足使用要求，所以取密封面寬度8mm最為合適。

表2 不同密封面寬度下的密封比壓

4.2 壓力角

選定密封面寬度為8mm，進(jìn)一步改變壓力角的大小，取6組壓力角數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬，得到不同壓力角對(duì)應(yīng)的密封比壓值（表3）。由表3可以看出，隨著壓力角的增大，密封比壓逐漸增大，且增大的幅度越來越明顯。然而，過大的比壓會(huì)增大球體與閥座的摩擦轉(zhuǎn)矩和閥桿的啟閉轉(zhuǎn)矩，所以應(yīng)在滿足較小轉(zhuǎn)矩的基礎(chǔ)上選取較大的壓力角，故選取壓力角為45.29°。

表3 不同壓力角下的密封比壓

5 結(jié)束語

筆者基于ANSYSWorkbench對(duì)金屬硬密封球閥閥座與球體接觸部位進(jìn)行了熱固耦合分析，研究其密封特性，通過改變密封面寬度和壓力角的大小來研究密封比壓的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)密封面寬度與密封比壓成負(fù)相關(guān)，壓力角與密封比壓成正相關(guān)。因此，應(yīng)在滿足必需比壓和較小操作轉(zhuǎn)矩的情況下選擇較大的密封面寬度和壓力角。