浮动式硬密封球阀阀座预紧碟簧选型设计分析

一、前言

浮动式硬密封球阀作为流体介质传输的重要设备，广泛应用于石化行业。密封面泄漏是影响其正常工作的重要因素，由于采用金属材料作为密封面，其所需密封比压比软密封要高得多，因此从设计上保证提供适当密封比压显得尤为重要。碟形弹簧具有压缩量小、回弹性能好等特点，可为球阀阀座提供预紧密封比压，正越来越多地应用于硬密封球阀中。但以往的经验表明，由于碟簧设计、选型不当造成球阀密封面过压，产生划痕，或者所提供的预紧力不够，从而导致球阀泄漏失效的案例也时常发生。本文主要就传统碟簧选型计算与数值模拟计算结果以及试验测试值进行对比分析，并对球阀样机进行密封试验，验证碟簧的性能作用，为今后类似碟簧设计选型提供参考及技术支撑。

二、结构分析及数据

本工作以6in－2500lb（1in=0.025 4m，1lb=0.456 6kg，下同）浮动式硬密封球阀为研究对象，阀杆具有防喷出结构，在介质压力作用下，阀杆呈抬升趋势，并压紧垫片从而形成阀杆倒密封功能。入口端阀座的背面放置碟簧，碟簧提供的预紧力保证球阀低压使用时的密封性，也作为高压使用时介质作用力的补充力，起到辅助出口端阀座与球体之间密封的功能。球阀结构示意如图1所

图1 浮动式硬密封球阀结构示意

1.球体 2.阀杆 3.垫片 4.碟簧 5.入口端阀座 6.出口端阀座

设计计算数据表

预紧密封比压计算

式中 q1——预紧所需的最小比压，按1.2MPa计算。

当前，全球经济活动正在由以制造业为中心逐步向制造业和服务业相融合的方向发展，生产性服务业的概念也应运而生。近十年来，生产性服务业已成为促进世界经济快速增长的主要行业之一，同时也是我国“十二五”规划中突出强调的重要发展产业之一。生产性服务业作为最早开始实施“营改增”政策试点的行业，自“营改增”政策实施后，学者们对其政策效应非常关注。

三、碟簧选型分析

根据碟簧所需提供的最小预紧比压，以及球体、阀体、阀座的尺寸，首先试取一组碟簧的尺寸，其结构和数据如图2所示，并根据GB/T 1972标准试算其能够提供的力值。

图2 碟簧尺寸

四、理论公式计算

采用GB/T 1972－2005标准的理论基础方程，如下：

式中 E——弹性模量，为200GPa；

γ——泊松比，为0.31；

p——载荷，单位为N；

并将计算所得预紧密封比压进行圆整，则碟簧所提供的最小预紧力为6 360N。

r1 ——内半径，单位mm；

r2——外半径，单位mm；

δ——压缩位移，单位mm。

将碟簧尺寸数据，代入上述公式进行计算，并取不同的δ值，对应不同的载荷p，从而获得了碟簧的载荷-位移特性曲线，如图3所示，碟簧压缩位移在3.1mm时，提供的力值约为6 500N，随着压缩位移的增加，其力值趋于平缓。

图3 碟簧理论计算力值

五、数值模拟计算

1.网格划分及边界条件

分析时，建立碟簧及上下板的三维模型，如图4所示，结构化网格划分如图5所示。图6为碟簧工作时的受载模型，碟簧位于两块平板之间，上平板受到位移载荷，下平板为全约束。分析时，将上下平板视为刚性体。

图4 碟簧分析模型

图5 网格划分

图6 碟簧受力模型

2.数学物理模型

（1）应力－应变关系 碟簧材料的弹性模量为2.0×105MPa，泊松比为0.31，屈服强度为1 035MPa。计算采用分段线性材料模型，表达材料的应力－应变关系。

（2）塑性模型 塑性模型的定义包括屈服准则、硬化准则和流动准则。使用Mises屈服准则，即令结构的应力强度为Mises等效应力。硬化准则定义塑性变形后的屈服条件，计算采用分段线性随动强化模型。流动法则由塑性势函数求导得出，本文采用与Mises屈服函数相关的流动法则。

（3）几何方程 几何方程定义位移和应变之间的关系。考虑到计算的碟簧结构变形可能较大，为此采用大变形非线性几何方程。

3.数值模拟结果

碟簧的等效应力分布如图7所示，可知碟簧在压缩过程中等效应力最大值为1 001.5MPa，且小于其屈服强度为1 035MPa，碟簧并未发生塑性变形，拥有较好的回弹性能，满足设计要求。

图7 碟簧等效应力分布

六、试验验证

1.碟簧力值验证

碟簧的变形量－载荷之间的关系如图8所示，通过标准的理论计算值、有限元分析数值以及试验值相对比，发现有限元分析的结果与试验测试符合得较好，标准计算值相对偏小。

图8 碟簧力值对比

2.球阀密封试验验证

将碟簧装配在6in－2500lb的球阀样机中，进行密封试验验证，试验过程及结果如下：

（1）液压密封试验验证 阀门关闭状态加压，液压密封试验压力施于阀门进口端，对阀门平稳充压，当液压稳定达到46.8MPa时开始计时，试验持续时间不少于5min。试验操作规程及要求按API 598（阀座液压试验），试验期间无可见泄漏，碟簧提供的力值满足要求。

（2）气压密封试验（双向） 气压密封试验压力为0.6MPa，试验持续时间不少于5min。试验前，排净内腔水介质及其他杂质，阀门关闭状态下，在进口端加压，出口端检查阀门有无泄漏。在出口端加压，进口端检查阀门有无泄漏。试验按API 598（低压气密封试验）要求进行和验收，试验期间无可见的泄漏，碟簧提供的力值满足要求。

七、结语

1）GB/T 1972－2005标准中的碟簧力值计算公式是一种近似解法，其所得的力值与试验测试的碟簧力值有一定偏差。对于需要获得准确力值的场合，以及标准未能覆盖的尺寸范围，可以运用有限元分析方法，辅助碟簧的选型及力值计算。

2）本文选型设计的碟簧，经球阀整机密封试验验证，满足性能要求。该项工作的完成为浮动式硬密封球阀阀座预紧碟簧的选型设计提供了参考及技术支撑。