山東滬工閥門制造股份有限公司
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高磅級(jí)暗桿平板閘閥閥前密封技術(shù)分析
一、前言
API 6A 暗桿平板閘閥閥前密封原理:在沒(méi)有壓力或低壓的情況下,通過(guò)閥座后的波形彈簧提供預(yù)緊力,推動(dòng)閥座壓向閘板,并與之貼合實(shí)現(xiàn)密封,當(dāng)有壓力時(shí),通過(guò)閥座前后形成的密封比壓,產(chǎn)生推力,使閥座向閘板移動(dòng)并且貼合在入口端實(shí)現(xiàn)密封。
一般情況下,閘板的厚度大于設(shè)計(jì)計(jì)算得出的閘板最小厚度即可,但是由于暗桿平板閘閥閘板中間設(shè)計(jì)不通孔以裝配閥桿,導(dǎo)致受壓時(shí)閘板變形量過(guò)大。而且經(jīng)過(guò)密封試驗(yàn),這一系列的閥門均在閘板上口出現(xiàn)了不同程度的泄漏。根據(jù)幾臺(tái)樣機(jī)出現(xiàn)的不同結(jié)果,結(jié)合其相應(yīng)閘板的單邊厚度,分析得出,其出現(xiàn)泄漏及泄漏的程度都與閘板單邊厚度有關(guān),故采用 COSMOS 有限元分析與試驗(yàn)相結(jié)合的方式來(lái)解決這個(gè)難點(diǎn)。
二、分析閘板厚度對(duì)受壓變形的影響
首先,對(duì)閘閥 2-1/16GBN Ⅰ 10MJ 的閘板進(jìn)行分析,通過(guò)有限元分析得出同一種閘板不同厚度的變形情況:
l)改進(jìn)前閘板厚度 42mm,閘板單邊厚度 7mm,如圖 1 所示,圖 2 是在10000psi(1psi=6.895kPa)壓力下閘板的位移量,密封面最外圈從閘板下口開(kāi)始逆時(shí)針?lè)较驕y(cè)量一周的位移量如圖 3。
改造前閘板
改造前閘板位移量
密封圈一周位移量
分析結(jié)果,得出:閘板受壓時(shí),閘板上口為變形即位移最大處,最大位移為 0.026mm,閘板左右兩側(cè)為變形即位移最小處,最小位移為 0.011mm 左右,相對(duì)位移為 0.015mm。
2)改進(jìn)后閘板厚度 48mm,閘板單邊厚度 10mm,在 10000psi 壓力下閘板的位移量如圖 4,圖 5 表示密封面最外圈從閘板下口開(kāi)始逆時(shí)針?lè)较驕y(cè)量一周的位移量。
改造后閘板位移量
改造后密封面一周位移量
分析結(jié)果,得出:閘板受壓時(shí),閘板上口為變形即位移最大處,最大位移為 0.0205mm,閘板左右兩側(cè)為變形即位移最小處,最小位移為 0.014mm 左右。相對(duì)位移為 0.0065mm。
其次,對(duì)閘閥 3-1/16GBN Ⅰ10MJ 的閘板進(jìn)行分析,通過(guò)有限元分析得出同一種閘板不同厚度的變形情況,測(cè)量方法同前,從閘板密封面下口開(kāi)始沿密封圈外圓逆時(shí)針?lè)较驕y(cè)量。
閘板厚度為 50mm,閘板單邊厚度 7mm 時(shí),在 10000psi 壓力下密封面最外圈從閘板下口開(kāi)始逆時(shí)針?lè)较驕y(cè)量一周的位移量如圖 6,閘板厚度為 60mm,閘板單邊厚度 12mm 時(shí),密封面最外圈從閘板下口開(kāi)始逆時(shí)針?lè)较驕y(cè)量一周的位移量如圖 7。
閘板厚度為 50mm,閘板單邊厚度 7mm 時(shí)密封面一周的位移量
閘板厚度為 60mm,閘板單邊厚度 12mm 時(shí)密封面一周的位移量
同理,閘板厚度為 50mm 時(shí),最大位移為 0.038mm 左右,最小位移為 0.014mm 左右。相對(duì)位移為 0.024mm;厚度為 60mm 時(shí),最人位移為 0.0301mm 左右,最小位移為 0.017mm 左右。相對(duì)位移為 0.0131mm。
三、分析閥座密封面寬度對(duì)受壓變形的影響
對(duì)閘閥 3-1/16GBN Ⅰ 15MJ 的閘板進(jìn)行分析,理論分析得知,如果密封面寬度稍微加大,可以增加受壓時(shí)閘板的支撐面積,如圖 8 所示,可以減小受壓時(shí)的變形,通過(guò)有限元分析,得出如下結(jié)論。
閘板支撐面積
閘板厚度為 60mm,單邊厚度為 13mm 時(shí)分析得出的密封面變形位移如圖 9,最大位移最為 0.047mm 左右,最小位移為 0.026mm,相對(duì)位移量為 0.021mm。
閘板厚度為 60mm,單邊厚度為 13mm 時(shí)密封面變形位移
閘板厚度為 66mm,單邊厚度為 16mm,密封面寬度不變時(shí),分析得出的密封面變形位移如圖 10,最大位移量為 0.0445mm 左右,最小位移為 0.0275mm,相對(duì)位移量為 0.017mm。
閘板厚度為 66mm,單邊厚度為 16mm 時(shí)密封面變形位移
閘板厚度為 60mm,單邊厚度為 13mm 密封面寬度增加 1.5mm 時(shí)分析得出的密封面變形位移如圖 11,最大位移量為 0.044mm 左右,最小位移為 0.025mmm,相對(duì)位移量為 0.019mm。
閘板厚度為 60mm,單邊厚度為 13mm,密封面寬度增加 1.5mm 時(shí)分析得出的密封面變形位移
閘板厚度為 66mm,單邊厚度為 16mm,密封面寬度增加 1.5mm 時(shí)分析得出的密封面變形位移如圖 12,最大位移量為 0.043mm 左右,最小位移為 0.027,相對(duì)位移量為 0.016mm。
閘板厚度為 66mm,單邊厚度為 16mm,密封面寬度增加 1.5mm 時(shí)分析得出的密封面變形位移
四、結(jié)論
根據(jù)以上分析結(jié)果,不難看出,影響密封的因素主要有兩個(gè):第一是閘板的厚度,第二是密封面寬度。尤其是在更高磅級(jí)的情況下,密封面的寬度起著比較大的作用。不僅如此,在改變閘板厚度等因素時(shí),還應(yīng)將與之相關(guān)聯(lián)的尺寸也進(jìn)行相應(yīng)的改變,不要產(chǎn)生過(guò)大的厚度差。
根據(jù)理論分析進(jìn)行改進(jìn)的 3 臺(tái)樣機(jī)已經(jīng)全部試驗(yàn)成功。因此在設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí),閘板的厚度除了要滿足計(jì)算的結(jié)果之外,還要符合分析結(jié)果;密封面的計(jì)算不僅要滿足密封比壓的要求,還應(yīng)特殊考慮閥前密封這一特點(diǎn)。兩者結(jié)合考慮,可大大改善閥門的密封性能,達(dá)到分析結(jié)果滿足閘板密封面最外側(cè)的相對(duì)變形位移量在 0.015mm 左右。
API 6A 閥門磅級(jí)大于或等于 10000psi 的閥門屬于高磅級(jí)閥門,雖然比較不容易實(shí)現(xiàn),但是在理論分析與試驗(yàn)相結(jié)合的努力下,API 6A 高磅級(jí)暗桿平板閥前密封類別的閥門設(shè)計(jì)試驗(yàn)初見(jiàn)成效,已有幾臺(tái)樣機(jī)試驗(yàn)成功。但是更多的可能影響暗桿閘閥閥前密封性能的因素還值得進(jìn)一步去探討和研究。
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