浅析平衡式截止阀设计及应用

摘 要：截止阀在管路运行中，通过操控阀件（旋转手轮）带动阀杆轴向运动来启闭阀瓣对介质进行流通和阻断控制，从而实现管路连通与关闭。在阀瓣启闭过程中阀瓣及密封面会受到介质的冲击力，而且随着工称压力和公称通径的增加，冲击力增大，这样会使阀门关闭力相当大，从而使阀门外形尺寸加大，所占空间增加，操控性能不好等问题出现。平衡式阀瓣能有效解决这些问题。

关键词： 平衡式；截止阀；设计；应用

中图分类号 ： TH134 文献标识码：A

一、平衡式截止阀的特征及应用

平衡式截止阀门主要由1阀体、2阀盘、3阀杆、4阀盖、5填料、6手轮、和7“O”型密封圈等零件组成（如图1所示）。平衡式的阀瓣上设有导流孔8 （如图1所示）。阀门关闭时，阀瓣下方的高压介质通过导流孔进入阀瓣上方的阀腔内，介质在阀腔内对阀瓣产生一个向下的推力，该力与下方介质对阀瓣向上的推力相平衡，使阀门的关闭力减小。不仅有效降低了阀门关闭力矩，而且减少了阀门开启瞬间介质对阀盘及腔体的冲击。同时由于阀盘承受的介质力有效减小，也使得对阀杆、阀盖的强度要求大为降低，有效的减小了阀门结构、重量。阀瓣与阀体衬套间装有“O”型密封圈7（如图1所示），具有密封性能好，摩擦阻力小，拆卸方便等特点。

平衡式截止阀充分体现轻量化、小型化，能满足水下设备对外形重量、高压下的安全密封、开关方便、摩擦副耐磨、减振降噪等要求。

根据样机的各项测试结果看，阀门安全性高，运行平稳，外形小重量轻，有很强的推广意义。

二、平衡式截止阀的工作原理

平衡式截止阀的工作原理：按指示标识旋转手轮6，带动阀杆3顺时针转动，从而带动阀瓣2垂直上升，当阀杆上密封面与阀盖密封面接触时阀门全部开启，此时阀杆与阀盖组成密封副（见图1局部放大图），达到防止阀杆处泄漏和可带压更换填料的目的，阀门处于开启状态。反之，则阀门关闭。在平衡阀的阀瓣上设计有导流孔8（如图1所示），阀门关闭时，阀瓣下方的高压介质通过导流孔进入阀瓣上方的阀腔内，高压介质在阀腔内对阀瓣产生一个对阀瓣向下的推力，该力与阀瓣下方介质对阀瓣向上的推力相平衡，因此阀瓣在关闭时就减少了介质对阀瓣向上的推力，使阀瓣的关闭力减小，也就是阀门的关闭力减小，相应的阀门零件及外形尺寸减小。平衡式结构在满足承压、密封等安全要求的前提下不仅有效降低了阀门关闭力矩，而且减少了阀门开启瞬间介质对阀盘及腔体的冲击。同时由于阀盘承受的介质力有效减小，也使得对阀杆、阀盖的强度要求大为降低，有效的减小了阀门结构、重量。阀瓣与阀体衬套间装有“O”型密封圈，具有密封性能好，摩擦阻力小，拆卸方便等优点。

三、阀门重要件设计过程及受力分析

1 阀体强度校核。阀体是重要的承压件，其壁厚值按第四强度理论计算：

S'b=PDn/（2.3[σL]P）+C （式1）

式中：Dn-阀体计算内径mm；[σL]-材料的许用拉应力（MPa）；P-设计压力（MPa）；C-考虑铸造偏差、工艺性和介质腐蚀等因素而附加的裕量（mm）。

2 阀瓣受力分析。通过三维设计软件对阀瓣进行有限元计算和分析，分析结果表明阀瓣在试验压力下各项参数指标均在规定范围内，完全满足使用要求。阀瓣夹具固定和承压情况（如图2所示）；阀瓣应力分析图（如图3所示）。

3 阀杆螺纹副耐磨性校核。为了保证螺纹副在多次带压开关状态下不失效，通常是限制螺纹接触处的压强p。按公式：

p=Q/πd2 h Z≤[p] （式2）

式中：Q-轴向力（N）； Z-参加接触的螺纹圈数；d2-螺纹中径（mm）；h-螺纹工作高度（mm），梯形螺纹h=0.5t；t-螺距； [p]-许用压强N/mm2。

4 流阻系数。该阀门流道设计时充分考虑流阻影响，内腔流道均圆滑过渡，各型腔截面积及阀盘和阀体内腔之间的帘面积在设计时均小于阀门出口面积。利用软件对截止阀三维模型进行分析求得阀门内腔各处液体流速，再算出内腔流场的平均流速。然后根据《阀门设计手册》压差计算公式求出流阻系数。压差公式：

式中：-被测阀门的压力损失（MPa）； -阀门的流阻系数；-流体密度（T/mm3）； -流体在管道内的平均流速（mm/s）。

结语

根据样机的各项测试结果看，平衡式截止阀性能好、重量轻、外形小巧，能满足水下设备对安全密封、操作方便、摩擦副耐磨、减振降噪等要求，阀门有很强的推广意义。

参考文献

[1]陆培文，高凤琴.阀门设计计算手册（第二版）[M]. 北京：中国标准出版社，2009.