自平衡角式截止閥的設計和計算
介紹了自平衡角式截止閥的工作原理及材料選用，提供了一次薄膜應力極限計算公式和強度及其性能試驗。
1、概述
在合成氨生產(chǎn)系統和制冷系統中應用的角式截止閥，開(kāi)啟高度小，密封面摩擦力小，制造工藝好，維修方便。由于截止閥屬于強制密封式閥門(mén)，所以在閥門(mén)關(guān)閉時(shí)，必須向閥瓣施加壓力，以強制密封面不泄漏。為了使閥門(mén)開(kāi)關(guān)更省力，設計了自平衡角式截止閥。
2、技術(shù)參數
公稱(chēng)尺寸DN65；公稱(chēng)壓力PN450；工作介質(zhì)空氣、氮氣、氫氣、氨氣、氦氣；工作溫度-40～50℃；連接方式法蘭連接；驅動(dòng)裝置手輪。
3、工作原理
角式截止閥的介質(zhì)流向為低進(jìn)高出，即介質(zhì)由閥瓣下方進(jìn)入閥門(mén)。在此工況條件下，開(kāi)啟閥門(mén)需要克服的阻力是閥桿和填料的摩擦力，關(guān)閉閥門(mén)需要克服的阻力是閥桿和填料的摩擦力與由介質(zhì)的壓力所產(chǎn)生的推力。由于關(guān)閉閥門(mén)的力比開(kāi)啟閥門(mén)的大，所以按照關(guān)閉閥門(mén)力設計的閥桿直徑較大(否則會(huì )發(fā)生閥桿頂彎的故障)，因此增大了閥門(mén)體積和質(zhì)量。經(jīng)過(guò)分析，將閥瓣和閥桿端部設置成壓力自平衡結構(圖1)。
采用自平衡結構后，閥門(mén)關(guān)閉時(shí)，介質(zhì)通過(guò)閥瓣和閥桿的壓力自平衡孔進(jìn)入閥瓣上腔，減小了介質(zhì)在閥瓣兩側的壓力差或流量差，用以調節壓力的相對平衡。閥門(mén)開(kāi)啟時(shí)，介質(zhì)再由壓力自平衡孔返回閥體內部，減小了由介質(zhì)壓力所產(chǎn)生的推力，使開(kāi)關(guān)更省力。
4、材料選用
自平衡角式截止閥主要由閥體、閥瓣、端法蘭、閥蓋、閥桿和壓蓋等組成(表1)。
閥體、法蘭和閥瓣等零部件材料選用奧氏體不銹鋼0Cr17Ni12Mo2。在奧氏體不銹鋼中，Mo元素可以促進(jìn)強化相的產(chǎn)生，有利于材料強度的提高，Mo的耐蝕性能顯著(zhù)，特別是和Cr相互作用的效果更明顯，可以增加閥門(mén)的耐蝕性能。
閥瓣蓋和閥桿采用沉淀硬化不銹鋼0Cr17Ni4Cu4Nb，此材料對大氣及稀釋酸或鹽具有良好的抗腐蝕能力。0Cr17Ni4Cu4Nb經(jīng)過(guò)固溶和時(shí)效熱處理后，可以提升材料的機械性能，從而獲得合適的強度和硬度。
1.法蘭 2.閥體 3.閥瓣 4.閥瓣蓋 5.閥桿 6.閥蓋 7.閥桿座 8.填料壓蓋 9.軸承座 10.軸承 11.閥桿螺母 12.油杯 13.撞擊塊 14.撞擊手輪 15.鎖緊螺母 16.鍵
圖1 自平衡角式截止閥
5、設計計算
自平衡角式截止閥按照GB/T 12233-2006、GB/T 12235-2007和JB/T 53174-94設計，并根據標準要求進(jìn)行閥體壁厚、閥桿強度、閥體與閥蓋連接螺栓強度的校核及一次薄膜應力極限分析，分析結果達到設計要求。
應力分析遵循RCC-MB3552.1，一次薄膜應力基本上是由內壓產(chǎn)生的。在內壓作用下，閥體的最高應力是在閥頸與閥體端部交接處的拐角區，其特點(diǎn)是有一個(gè)環(huán)向拉應力垂直于閥頸和閥體端部中心線(xiàn)的平面(圖2中面積Am)。
表1 主要零部件材料
6、試驗
6.1、強度試驗
封閉整個(gè)承壓殼體，使閥門(mén)處于部分開(kāi)啟狀態(tài)，給體腔內充滿(mǎn)水，將試驗壓力升至67.5MPa，保壓5min，承壓殼體(包括閥體與閥蓋螺紋連接處和填料處)無(wú)滲漏、破裂及永久性變形。
6.2、性能試驗
(1)密封性能試驗
將被測角式截止閥安裝在試驗系統中(圖3)。
F.被測閥 F1、F3.充氣閥門(mén) F2、F4.放氣閥門(mén) P.壓力表
圖3 閥門(mén)性能試驗系統
關(guān)閉角式截止閥F、充氣閥F3和放氣閥F4，打開(kāi)充氣閥F1和放氣閥F2，緩慢充入氮氣，壓力達到45MPa，保壓5min。從放氣閥F2處觀(guān)察泄漏情況，其泄漏率<12個(gè)氣泡/min。
關(guān)閉角式截止閥F、充氣閥F1和放氣閥F2，打開(kāi)充氣閥F3和放氣閥F4，緩慢充入氮氣，壓力達到45MPa，保壓5min，從放氣閥F4處觀(guān)察泄漏情況，其泄漏率不高于12個(gè)氣泡/min。
(2)動(dòng)作性能試驗
將被測角式截止閥安裝在試驗系統中。關(guān)閉放氣閥F2和F4及充氣閥F3，打開(kāi)充氣閥F1和被測角式截止閥F，緩慢充入氮氣，使壓力達到45MPa，手動(dòng)操作開(kāi)關(guān)閥門(mén)，閥門(mén)動(dòng)作靈活，無(wú)卡阻。
7、結語(yǔ)
角式截止閥采用自平衡結構，減少了閥門(mén)制造材料，減輕了閥門(mén)質(zhì)量，減小了閥門(mén)安裝空間。自平衡角式截止閥經(jīng)用戶(hù)使用，開(kāi)關(guān)省力，操作方便，性能良好。
