石巖

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2017.11.067

摘 要：為進(jìn)一步改善和提高夾板閥在使用過(guò)程中操作安全性、工作效率以及后期維護(hù)易損件的快速互換性；通過(guò)收集和分析一線操作者的反饋信息對(duì)傳統(tǒng)夾板閥進(jìn)行結(jié)構(gòu)改型優(yōu)化設(shè)計(jì)；試驗(yàn)表明啟閉功能完全能夠滿足使用需求且維護(hù)快捷，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔新穎、安全穩(wěn)定尤其是在造價(jià)成本上無(wú)論是改造還是重新加工制造都得到了節(jié)約，同時(shí)也為進(jìn)一步設(shè)計(jì)和制造高技術(shù)含量管道夾板閥積累技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，這對(duì)從事管道開(kāi)孔、封堵施工作業(yè)能力的提高也具有一定幫助作用。

關(guān)鍵詞：夾板閥 旁通閥 互換性 浮動(dòng)密封 強(qiáng)度計(jì)算

中圖分類(lèi)號(hào)：TM304 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）04（b）-0067-02

夾板閥是石油天然氣管線維搶修、管線建設(shè)施工中開(kāi)孔和封堵施工作業(yè)中的重要設(shè)備，配合三通、開(kāi)孔機(jī)、封堵缸以及結(jié)合器完成管線開(kāi)孔、封堵，從而進(jìn)行旁通引流斷管改線等施工任務(wù)的專用閥門(mén)，其密封性、操作方式以及應(yīng)急維護(hù)等方面的優(yōu)劣對(duì)管線施工有重要的影響。針對(duì)傳統(tǒng)夾板閥存在的一些潛在失效模式進(jìn)行定性預(yù)定量分析，并結(jié)合力學(xué)模型進(jìn)行校核計(jì)算，確定保證強(qiáng)度穩(wěn)定性機(jī)械幾何結(jié)構(gòu)。

1 設(shè)計(jì)原理分析

1.1 技術(shù)背景

夾板閥又稱三明治閥，主要由閥體、閥芯及驅(qū)動(dòng)閥芯啟閉的絲杠或液壓系統(tǒng)組成，目前經(jīng)常使用的老式夾板閥主要以三片式結(jié)構(gòu)為主，即由上下閥體和閥芯組成，密封形式是在閥芯兩側(cè)上加工凹槽通過(guò)壓圈固定O型圈，此種硬性密封僅能實(shí)現(xiàn)單向密封，也就是說(shuō)，單側(cè)受壓力作用僅有一道密封起作用，當(dāng)閥芯兩側(cè)壓力不能達(dá)到100%平衡時(shí)，驅(qū)動(dòng)閥芯可能會(huì)導(dǎo)致受力側(cè)密封圈被剪切造成泄露風(fēng)險(xiǎn)；其次中腔未和上下閥腔壓力平衡孔連通也有可能存在憋壓現(xiàn)象，導(dǎo)致啟閉閥芯困難；再次針對(duì)一些進(jìn)口的夾板閥，為防止在工作狀態(tài)下意外拆卸旁通閥造成事故，將旁通閥通過(guò)腔體平衡孔中的定位管鎖定，雖然提高了安全系數(shù)，但是在進(jìn)行壓力試驗(yàn)或是在施工現(xiàn)場(chǎng)當(dāng)旁通閥O型密封圈出現(xiàn)損壞泄露時(shí)，需要拆卸整個(gè)閥體，才可以更換所以部件互換性較差，無(wú)形中增加勞動(dòng)工作量尤其在緊急情況下嚴(yán)重影響工程進(jìn)度。

還有一種比較常用的焊接式三片夾板閥，此種形式有值得學(xué)習(xí)和借鑒地方就是采用浮動(dòng)雙向密封、雙道密封來(lái)防止由于密封圈剪切造成泄漏。但是浮動(dòng)調(diào)節(jié)量基本是一個(gè)定值，不能實(shí)現(xiàn)線性可調(diào)控制彈簧壓縮量，其結(jié)構(gòu)形式是用卡環(huán)片插入浮動(dòng)環(huán)圓周槽內(nèi)，通過(guò)螺釘固定在閥體凹槽內(nèi)，在工作狀態(tài)下浮動(dòng)環(huán)與閥芯密封的接觸間隙應(yīng)為0.5mm，如此小的量值主要受彈簧的理論壓縮量計(jì)算值、浮動(dòng)環(huán)厚度、閥體凹槽深度3個(gè)因素影響，變量因素較多，制造、裝配影響不便于精準(zhǔn)控制。尤其是在裝配時(shí)測(cè)量所有均布彈簧壓縮高度值，若彈簧過(guò)長(zhǎng)壓縮量過(guò)多浮動(dòng)環(huán)與閥體件相互作用力過(guò)大導(dǎo)致閥芯啟閉困難密封圈受剪切損壞；若彈簧壓縮量過(guò)小，自身作用力未能起到支撐閥芯的目的，當(dāng)閥芯受到管道中介質(zhì)作用力抵消時(shí)大于彈簧力，導(dǎo)致受力側(cè)不能密封僅是未受力側(cè)單道密封。此外，旁通閥仍使用錐體硬機(jī)械密封且密封面在閥體本身，當(dāng)閥體椎體密封面損壞時(shí)維修閥體的經(jīng)濟(jì)成本也相當(dāng)大，同時(shí)還需要考慮材料的可焊接性、無(wú)損檢測(cè)等方面采取嚴(yán)格有效的控制措施，因?yàn)橛泻缚p存在的地方就有可能存在一定潛在的風(fēng)險(xiǎn)，制造成本也相對(duì)較高。

1.2 設(shè)計(jì)幾何結(jié)構(gòu)

首先，針對(duì)以上問(wèn)題從整體結(jié)構(gòu)重要功能性分析入手，考慮重量和加工成本確定為兩片式結(jié)構(gòu)即由上下閥體和閥芯組成，由于夾板閥屬于非標(biāo)元件，根據(jù)GB 150.3將其抽象成非圓形平蓋法蘭并當(dāng)量成圓形平蓋法蘭進(jìn)行閥體厚度計(jì)算（具體計(jì)算過(guò)程收錄在參考文獻(xiàn)[1]中）；同時(shí)結(jié)合有限元和彈性力學(xué)的理論，利用ANSYS軟件進(jìn)行參數(shù)化建模，并通過(guò)帶有接觸關(guān)系的結(jié)構(gòu)有限元分析來(lái)驗(yàn)證常規(guī)算法；加工制造采用CNC整體加工成型，由于不存在焊接材料上選取許用應(yīng)力較高鉻鉬鋼鍛造進(jìn)行制造，盡可能在滿足安全可靠性的前提下降低結(jié)構(gòu)重量。外觀形式符合目前無(wú)障礙功能操作設(shè)計(jì)理念，用于緊固上下閥體的雙頭螺柱六角螺母改型設(shè)計(jì)成開(kāi)槽圓形螺母裝配入閥體表面沉孔中，既滿足閥體本身強(qiáng)度要求，又不影響實(shí)際施工作業(yè)中對(duì)使用工器具操作功能的障礙影響，吊裝設(shè)計(jì)一改傳統(tǒng)吊環(huán)螺釘?shù)跹b方式，增設(shè)專用吊具滿足施工現(xiàn)場(chǎng)整體水平、傾斜吊裝及二次搬運(yùn)的安全性和便捷性。

其次，從安全角度考慮密封形式為浮動(dòng)雙向雙道密封，具體結(jié)構(gòu)上一版分析試驗(yàn)樣圖首先采用依靠上下閥體嵌入式碟形彈簧來(lái)控制裝有密封圈的浮動(dòng)環(huán)與閥芯間隙實(shí)現(xiàn)密封，碟形彈簧是在軸向上呈錐形并承受負(fù)載的特殊彈簧，在承受負(fù)載變形后，儲(chǔ)蓄一定的勢(shì)能，當(dāng)浮動(dòng)環(huán)與閥芯間隙過(guò)大時(shí)，碟形彈簧釋放部分勢(shì)能以保持壓力間隙達(dá)到密封要求。碟形彈簧應(yīng)力分布由里到外均勻遞減，能夠?qū)崿F(xiàn)低行程高補(bǔ)償力的效果。雖然結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單但是由于單片碟形彈簧負(fù)載變形特性曲線呈非線性關(guān)系，其變形量和負(fù)荷值往往不能滿足負(fù)載較大時(shí)夾板閥的使用要求，也就是說(shuō)要微調(diào)控制其有效行程比較困難。經(jīng)過(guò)二次分析論證最終采用常規(guī)圓柱螺旋壓縮彈簧，在浮動(dòng)環(huán)徑向外側(cè)設(shè)有密封圈與閥體配合密封，一側(cè)端面加工鑲嵌密封圈凹槽并用密封壓環(huán)固定，另一側(cè)圓周均布設(shè)置安裝彈簧的螺紋孔，再將封裝彈簧放置入孔中蓋上旋帽通過(guò)旋轉(zhuǎn)外螺紋環(huán)調(diào)整彈簧至計(jì)算壓縮量的適當(dāng)高度，最后將浮動(dòng)環(huán)部件整體裝入閥體并用定位塊鎖定，此種方式僅需要控制調(diào)節(jié)彈簧旋帽高度即可，影響因素較少并且可控，即使存在一定加工精度誤差，通過(guò)調(diào)節(jié)也可彌補(bǔ)誤差，實(shí)現(xiàn)對(duì)彈簧線性連續(xù)微量調(diào)節(jié)。優(yōu)化設(shè)計(jì)后的浮動(dòng)環(huán)結(jié)構(gòu)將密封圈、彈簧及其調(diào)節(jié)件集成于一體，實(shí)現(xiàn)密封、可微調(diào)封裝式結(jié)構(gòu)，確保閥芯兩側(cè)均一直處于均衡受力始終保持雙道密封狀態(tài)，導(dǎo)軌主要起到導(dǎo)向的作用這樣可以使閥芯啟閉順暢自如，不會(huì)出現(xiàn)卡塞現(xiàn)象。

最后，以便后期保養(yǎng)維護(hù)角度考慮，在壓力平衡裝置旁通閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，將其設(shè)計(jì)成獨(dú)立密封結(jié)構(gòu)，錐形閥針與其配合密封的錐形孔體通過(guò)雙層螺紋裝配，密封錐面單體零件便于在數(shù)控機(jī)床上加工制造及表面熱處理，當(dāng)部件出現(xiàn)損壞時(shí)可以整體更換，從而不用在閥體上加工錐形密封面，降低加工難度，裝配時(shí)閥座從閥體內(nèi)部圓形定位孔裝入，閥體及閥針從閥體外側(cè)裝入閥體定位孔中，旋轉(zhuǎn)端蓋螺母將閥座閥體擰緊，并將端蓋用螺釘緊固于閥體上。實(shí)際操作時(shí)在閥體外側(cè)旋擰閥針使上下閥體壓力平衡，同時(shí)也不會(huì)因機(jī)械震動(dòng)導(dǎo)致螺紋松動(dòng)或意外人為拆卸造成危險(xiǎn)事故，進(jìn)行壓力試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)更換方便，不依賴整個(gè)閥體。

2 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)前期試驗(yàn)以及在石油天然氣管道開(kāi)孔、封堵施工應(yīng)用中的反饋信息表明，公稱通徑DN300以上均可采用改型后的兩片式浮動(dòng)雙道密封夾板閥結(jié)構(gòu)配合機(jī)械螺紋驅(qū)動(dòng)，DN500以上考慮到受力較大不便于機(jī)械驅(qū)動(dòng)，可采用液壓驅(qū)動(dòng)性能良好，且適用于各種高、中、低壓的不同壓力等級(jí)，無(wú)論是靜態(tài)密封還是機(jī)械帶負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性等各項(xiàng)性能指標(biāo)可以滿足使用要求，維修、拆裝方便，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)易，備件集成化程度高，互換性較好，大大提高了施工作業(yè)效率，反應(yīng)效果良好。

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