上海滬工閥門廠（集團(tuán)）有限公司

一、前言

API 6A 暗桿平板閘閥閥前密封原理：在沒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始逆時(shí)針方向測(cè)量一周的位移量如圖 3。

圖 1 改造前閘板

圖 2 改造前閘板位移量

圖 3 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始逆時(shí)針方向測(cè)量一周的位移量。

圖 4 改造后閘板位移量

圖 5 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始沿密封圈外圓逆時(shí)針方向測(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始逆時(shí)針方向測(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始逆時(shí)針方向測(cè)量一周的位移量如圖 7。

圖 6 閘板厚度為 50mm，閘板單邊厚度 7mm 時(shí)密封面一周的位移量

圖 7 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。

圖 8 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。

圖 9 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。

圖 10 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。

圖 11 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。

圖 12 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。