陸 怡，查涵清，姚潤(rùn)鹽

(常州大學(xué)機(jī)械與軌道交通學(xué)院，江蘇 常州 213164)

1 引言

長(zhǎng)輸管線全焊接球閥通常直埋于地下，檢維修難度高，出現(xiàn)泄漏問(wèn)題會(huì)給管道運(yùn)行帶來(lái)重大安全隱患[1]；使用過(guò)程中，閥門除了承受內(nèi)部介質(zhì)壓力外，還可能承受管道沉降、移動(dòng)、熱應(yīng)力等復(fù)雜外載荷作用，因此要求長(zhǎng)輸管線閥門整體強(qiáng)度和密封性能好，安全、可靠、長(zhǎng)壽命[2-3]。全焊接球閥具有流體阻力小、啟閉速度快、外泄可能性小、可埋地、重量輕、壽命長(zhǎng)等顯著優(yōu)點(diǎn)[4-6]，因此被廣泛應(yīng)用并成為長(zhǎng)距離輸送管線保證運(yùn)輸安全所使用的首選控制部件[7]。考慮到建一條大口徑管線比多條并行小口徑管線更為經(jīng)濟(jì)，近年來(lái)，長(zhǎng)輸管線用超大口徑(DN1400及以上)全焊接球閥需求量日益增加[8]。

目前，國(guó)內(nèi)關(guān)于公稱直徑1400mm，承受復(fù)雜外載荷作用的超大口徑全焊接球閥的設(shè)計(jì)制造尚無(wú)標(biāo)準(zhǔn)可依，主要是依靠實(shí)驗(yàn)研究，進(jìn)行對(duì)比分析設(shè)計(jì)[9]，導(dǎo)致成本提高、設(shè)計(jì)周期延長(zhǎng)，制約了國(guó)產(chǎn)超大口徑全焊接球閥在國(guó)家重大工程上的應(yīng)用。良好的密封性能不僅是評(píng)判球閥設(shè)計(jì)的重要因素，也是確保長(zhǎng)輸管線球閥在承受內(nèi)壓及多種復(fù)合載荷作用下安全運(yùn)行的關(guān)鍵。球閥密封結(jié)構(gòu)的差異會(huì)影響密封性能，目前的研究主要是通過(guò)對(duì)球閥密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，保證理論上不會(huì)產(chǎn)生泄漏[10-13]，但是對(duì)特大口徑全焊接球閥閥座密封圈接觸表面的密封比壓變化研究較少，不能保證整個(gè)密封面上的接觸應(yīng)力都滿足密封要求。馮占榮[14]等人分析了高壓硬密封固定球球閥在關(guān)閉狀態(tài)下的密封性及應(yīng)力分布，并且通過(guò)單因素優(yōu)化對(duì)密封環(huán)面開(kāi)口度進(jìn)行仿真。查閱相關(guān)文獻(xiàn)，目前還沒(méi)有對(duì)DN1400的球閥進(jìn)行密封性能分析及結(jié)構(gòu)改進(jìn)的相關(guān)研究。

基于此，本文以某公司研發(fā)的城市供暖用長(zhǎng)輸管線特大口徑全焊接球閥為研究對(duì)象，基于ANSYS數(shù)值仿真方法，研究操作工況下不同寬度、不同壓力角的閥座密封圈和球芯接觸表面間密封比壓分布情況，揭示不同因素對(duì)密封比壓的影響規(guī)律，分析密封性能。為合理設(shè)計(jì)和優(yōu)化特大口徑全焊接球閥密封結(jié)構(gòu)提供依據(jù)。

2 雙向密封固定球球閥密封原理

某公司研發(fā)的城市供暖用公稱壓力2.5MPa、公稱直徑1400mm長(zhǎng)輸管線特大口徑全焊接固定球閥，密封結(jié)構(gòu)采用雙閥座雙向密封，出口端與進(jìn)口端密封結(jié)構(gòu)一致，保證當(dāng)一側(cè)閥座密封失效時(shí)，另一側(cè)閥座也能單獨(dú)起到密封作用，提高密封可靠性，保證閥門的使用壽命。密封結(jié)構(gòu)如圖1所示，一組圓柱形彈簧均勻布置在連接管內(nèi)槽，彈簧另一端作用于閥座。預(yù)緊時(shí)，壓縮彈簧產(chǎn)生彈簧反力，通過(guò)閥座傳遞到閥座密封圈(球墊)上，使得閥座密封圈和球體接觸面間接觸應(yīng)力達(dá)到預(yù)緊密封比壓，保證初始密封的效果。工作時(shí)，閥座密封圈表面密封比壓q由上下游介質(zhì)壓力差和彈簧預(yù)緊力提供。工作密封比壓q需滿足

qMF≤q≤[q]

其中qMF為密封墊片所需的密封必須比壓，是指球芯和閥座密封圈之間形成接觸密封所需要的最小壓力，根據(jù)閥門設(shè)計(jì)手冊(cè)[15]，密封必須比壓取3MPa。[q]為密封面材料的許用比壓，是指球芯和閥座密封圈之間的應(yīng)力極限，這個(gè)值由密封元件材料決定，結(jié)合長(zhǎng)輸管線球閥實(shí)際工作情況，閥座密封圈選擇增強(qiáng)聚四氟乙烯，當(dāng)密封圈有滑動(dòng)摩擦?xí)r，其許用比壓[q]為15MPa。

圖1 雙閥座雙向密封結(jié)構(gòu)

3 密封性能的有限元分析

3.1 建立球閥整體模型

球閥主要結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要包括球芯、閥體、封頭、上下閥桿、接管以及閥座密封結(jié)構(gòu)。閥體采用筒體和旋壓橢圓封頭焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，封頭與左右兩端接長(zhǎng)體接管2、外接管2與內(nèi)接管1均為焊接連接。球芯采用帶內(nèi)襯加強(qiáng)筋的高強(qiáng)度套球空心球體結(jié)構(gòu)，另外在球體上設(shè)置有平衡孔用于壓力泄放，使中腔壓力和閥體通道內(nèi)壓力保持一致。上下閥桿插入球體凹槽內(nèi)，控制球體轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖2 球閥主要結(jié)構(gòu)

表1 球閥的主要零部件及性能參數(shù)

在ANSYS里分析時(shí)要對(duì)材料進(jìn)行性能參數(shù)設(shè)置，如表1所示，列出了閥門各部件的材料及力學(xué)性能參數(shù)。由于球閥為對(duì)稱模型，對(duì)稱面兩側(cè)結(jié)構(gòu)和受力情況完全一致，在建模時(shí)取1/4結(jié)構(gòu)，整體選擇20節(jié)點(diǎn)軸對(duì)稱solid186單元建立模型；主要?jiǎng)澐譃榱骟w網(wǎng)格單元，局部包含四面體網(wǎng)格并進(jìn)行網(wǎng)格加密；為了分析球體與閥座密封圈接觸面之間的密封比壓，需要進(jìn)行接觸分析。模型包含2個(gè)接觸對(duì)：一是球體表面與閥座密封圈密封表面接觸對(duì)，為主接觸面；二是閥座密封圈外表面與接管內(nèi)表面的接觸對(duì)，為次接觸面。接觸單元類型為Conta174和Target170，將球芯表面、接管內(nèi)表面設(shè)置為目標(biāo)面(target)，閥座密封圈密封面和外表面設(shè)置為接觸面(contact)，接觸表面之間摩擦系數(shù)取0.14。接觸剛度比例因子取0.1，保證兩個(gè)表面之間穿透強(qiáng)度極小，又避免了過(guò)多的迭代次數(shù)。如圖3所示為球閥在全開(kāi)工況下網(wǎng)格劃分后的模型。

圖3 全開(kāi)時(shí)的球閥網(wǎng)格模型

3.2 密封性能分析

3.2.1 雙閥座密封結(jié)構(gòu)密封性能

由于是對(duì)稱模型，在球閥的兩個(gè)對(duì)稱面上施加對(duì)稱約束，在上中軸的端面施加Y方向位移約束；為防止閥座密封圈產(chǎn)生移動(dòng)，在外圓面施加Y方向和Z方向約束，允許其在流體流動(dòng)方向產(chǎn)生變形。針對(duì)本文研究對(duì)象，設(shè)定球體、閥體、封頭、接管均承受2.5MPa的內(nèi)壓；球閥工作時(shí)施加在閥座密封圈上的載荷包括流體壓力和彈簧預(yù)緊力；外接管外端面考慮供熱時(shí)熱應(yīng)力引起的軸向壓力，和內(nèi)壓引起的軸向壓應(yīng)力的合力。

完成前處理后，對(duì)模型求解，并對(duì)球閥各零部件進(jìn)行應(yīng)力分析。如圖4所示，在球閥全開(kāi)工況下，密封圈表面密封比壓分布并不均勻，最低密封比壓為2.44MPa，最高密封比壓為5.67MPa。選取沿密封面寬度方向上的節(jié)點(diǎn)接觸應(yīng)力，繪制折線圖如圖5所示：隨著密封寬度的變化，接觸應(yīng)力先增大后減小，密封圈中部接觸應(yīng)力達(dá)到最大，高于密封必須比壓；但是兩端應(yīng)力較小，不能保證密封性能。研究不同結(jié)構(gòu)的閥座密封圈，從而改善其密封性能顯得尤為必要。閥座密封圈不同的寬度和壓力角都會(huì)對(duì)密封圈的密封性能造成影響。用ANSYS有限元軟件模擬全開(kāi)工況下不同的密封面寬度和不同的密封壓力角對(duì)接觸應(yīng)力的影響，分析并重新設(shè)計(jì)最合適的密封結(jié)構(gòu)。

圖4 工作時(shí)球體和閥座密封圈接觸應(yīng)力云圖

圖5 密封面寬度與接觸應(yīng)力值關(guān)系圖

3.2.2 密封圈寬度對(duì)密封比壓的影響

保持閥座密封圈的密封面與水平面形成的角度和密封圈外徑不變，通過(guò)改變內(nèi)徑，模擬15、18、20、22、25、27(單位：mm)六種不同的閥座密封面寬度，分析密封圈寬度對(duì)密封比壓分布影響。

圖6 不同密封圈上密封比壓分布圖

圖7 密封比壓分布與極限值關(guān)系圖

如圖6所示，橫坐標(biāo)表示密封面從0變化到該密封圈最大寬度，縱坐標(biāo)表示密封比壓的大小。經(jīng)模擬發(fā)現(xiàn)，對(duì)于不同的閥座密封圈，其密封比壓分布規(guī)律一致，基本呈拋物線狀分布，在密封圈中徑處密封比壓達(dá)到最大。當(dāng)h=15mm時(shí)，各點(diǎn)密封比壓達(dá)到最大，但是低于許用壓力，最小密封比壓高于密封必須比壓，滿足密封條件；隨著密封面變寬，接觸面積增加，接觸應(yīng)力整體減小，當(dāng)h=27mm時(shí)，密封比壓值只有一部分區(qū)域高于必須比壓，不能滿足密封要求。由圖7可知，隨著密封面寬度的增加，密封圈上密封比壓的最大值和最小值都呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)，當(dāng)寬度增大到22mm，密封比壓的最小值低于密封的必須比壓，密封的有效區(qū)域會(huì)減小，因此對(duì)于此種密封圈結(jié)構(gòu)，在滿足密封的必須應(yīng)力和許用應(yīng)力條件下，選擇密封圈寬度小于20mm。

3.2.3 密封壓力角對(duì)密封比壓的影響

密封壓力角是指密封圈接觸表面法向和內(nèi)表面法向之間形成的夾角。保持密封面寬度和內(nèi)徑不變的情況下，通過(guò)改變外徑來(lái)改變壓力角大小，選擇密封圈的密封寬度h=22mm，模擬了43.25、43.75、44.25、44.75、45、45.75、46(單位：°)7個(gè)不同的壓力角α，分析密封壓力角對(duì)密封比壓的分布影響。

圖8 不同壓力角下密封比壓分布

圖9 密封比壓分布與極限值關(guān)系圖

如圖8所示，橫坐標(biāo)表示密封面密封壓力角，縱坐標(biāo)表示密封比壓的大小。經(jīng)模擬發(fā)現(xiàn)，對(duì)于不同的密封壓力角，其密封比壓分布規(guī)律一致，基本呈拋物線狀分布，在密封圈中徑處密封比壓達(dá)到最大值。當(dāng)壓力角α=43.25°，最大應(yīng)力小于材料的許用比壓，最小應(yīng)力也大于密封必須比壓，滿足設(shè)計(jì)要求；當(dāng)壓力角α達(dá)到46°時(shí)，密封面投影寬度上只有6-18mm一段滿足密封條件，容易產(chǎn)生泄漏。由圖9可知，當(dāng)壓力角逐漸增大時(shí)，密封圈上密封比壓的最大值和最小值都呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)，當(dāng)壓力角大于44.25°時(shí)，密封比壓的最小值低于密封的必須比壓，密封的有效區(qū)域會(huì)減小，因此針對(duì)于此種密封圈結(jié)構(gòu)，在滿足密封的必須應(yīng)力和許用應(yīng)力的條件下，選擇密封圈壓力角小于44°。

4 閥座密封圈結(jié)構(gòu)改進(jìn)

針對(duì)前兩個(gè)部分研究的密封圈寬度和壓力角對(duì)閥座密封圈接觸表面密封比壓的影響，在此提出一種新型的雙斜面與球體接觸的密封圈結(jié)構(gòu)，如圖10所示，密封圈接觸面分為三個(gè)部分：第一接觸面、階梯形槽口和第二接觸面，兩個(gè)接觸面在密封方向上的寬度分別為4mm和6mm，槽口寬度為12mm，密封壓力角設(shè)計(jì)為43.25°。

圖10 改進(jìn)后的閥座密封結(jié)構(gòu)

階梯型槽口設(shè)計(jì)不僅能有效減小密封面接觸寬度，還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于，當(dāng)流體介質(zhì)中含有固體顆粒雜質(zhì)時(shí)，球閥啟閉時(shí)，密封圈處的顆粒停留在槽口，球體和密封圈接觸表面不會(huì)產(chǎn)生摩擦磨損，保證密封圈使用壽命。

對(duì)改進(jìn)后的閥座密封圈結(jié)構(gòu)進(jìn)行理論計(jì)算與有限元計(jì)算。結(jié)果表明：球閥在開(kāi)啟狀態(tài)閥體內(nèi)腔無(wú)壓力時(shí)，如圖11和圖12所示，接觸應(yīng)力分為兩個(gè)部分，球體與密封圈之間產(chǎn)生的接觸應(yīng)力分布并不均勻，整體還是呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。越靠近密封面中部，接觸應(yīng)力達(dá)到最大值14.54MPa，接近許用密封比壓。越靠近端部，接觸應(yīng)力越小，最低密封比壓為4.05MPa，高于密封必須比壓。說(shuō)明經(jīng)過(guò)結(jié)構(gòu)改進(jìn)，密封比壓的應(yīng)力值明顯提高，操作狀態(tài)下的球閥密封性能滿足要求，且經(jīng)過(guò)應(yīng)力評(píng)定，表明球閥整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度合格，低于材料許用應(yīng)力，滿足材料要求。

圖11 工作時(shí)球體和閥座密封圈接觸應(yīng)力云圖

圖12 結(jié)構(gòu)改進(jìn)后密封面上應(yīng)力分布圖

5 密封性能試驗(yàn)

根據(jù)GB/T13927-2008工業(yè)閥門壓力試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)設(shè)計(jì)的長(zhǎng)輸管線超大口徑球閥進(jìn)行性能試驗(yàn)。試驗(yàn)包括高壓密封性能試驗(yàn)和低壓密封性能試驗(yàn)。試驗(yàn)設(shè)備選擇閥門臥式檢測(cè)機(jī)，檢測(cè)機(jī)臺(tái)架設(shè)計(jì)溫度為-200℃～200℃，設(shè)計(jì)壓力為2.5MPa，能較好地滿足熱態(tài)工況性能試驗(yàn)要求。

試驗(yàn)時(shí)首先保持密封面干凈無(wú)油脂，試驗(yàn)介質(zhì)選擇干燥的壓縮空氣，將閥門進(jìn)口端和出口端封閉，閥門處于關(guān)閉狀態(tài)，填料壓蓋壓緊到足以保持試驗(yàn)壓力，測(cè)試時(shí)首先打開(kāi)電源將閥門內(nèi)部空氣排出，然后在進(jìn)口端加壓，低壓和高壓氣密性試驗(yàn)壓力分別為0.6MPa和2.75MPa，保壓試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間120s，在閥門的兩側(cè)斷面檢查密封面的泄漏。

試驗(yàn)結(jié)果表明，球閥內(nèi)部無(wú)結(jié)構(gòu)損傷且無(wú)可見(jiàn)泄漏。驗(yàn)證了經(jīng)過(guò)改進(jìn)設(shè)計(jì)的特大口徑全焊接球閥密封結(jié)構(gòu)良好，密封性能滿足使用要求。

6 結(jié)論

1) 在不同壓力角和不同密封圈寬度條件下，密封圈的密封比壓呈拋物線狀分布：在密封圈內(nèi)外徑邊緣處，外形尺寸改變，引起局部應(yīng)力變化，而在密封圈中部已經(jīng)建立了穩(wěn)定的接觸，所以形成兩端小，中間大的變化趨勢(shì)，在密封圈中部能保證良好的密封性能。對(duì)于不同壓力角和不同密封寬度的密封圈，其有效應(yīng)力范圍不同。在外載荷、內(nèi)壓、材料性質(zhì)不變的條件下，通過(guò)改變密封圈較小的寬度和較小的壓力角可以提高密封比壓。

2) 重新設(shè)計(jì)的閥座密封圈采用雙斜面與球體接觸密封結(jié)構(gòu)，在密封圈內(nèi)部開(kāi)一個(gè)階梯型槽口，減小接觸寬度；分析了閥體內(nèi)腔無(wú)壓力狀況下密封面上的應(yīng)力分布情況，驗(yàn)證了改進(jìn)后的密封結(jié)構(gòu)能提高密封表面上的接觸應(yīng)力，保證密封性能。

3) 通過(guò)氣密性試驗(yàn)表明，重新設(shè)計(jì)的閥座密封圈結(jié)構(gòu)不會(huì)產(chǎn)生泄漏，能保持良好的密封性能。在本文的研究中只考慮了球閥靜態(tài)載荷下的密封性能，還可以通過(guò)CFD計(jì)算軟件模擬，分析當(dāng)球閥內(nèi)有流體流過(guò)，密封圈上承受介質(zhì)載荷時(shí)的接觸應(yīng)力變化以及密封效果，從而提出更好的優(yōu)化方案。