危化品罐车自封堵式安全截断阀设计与分析

王伟(江苏省特种设备安全监督检验研究所，江苏 扬州 225000)

0 引言

进而21世纪以来，我国工业化进程不断发展，工业生产中石油制品、危险化学品使用量逐年升高，其虽然在推动我国石油化工产业发展中扮演了重要角色，但同时为工业生产也带来了更多安全风险。现阶段我国运输石油制品和危险化学品多采用由车辆底盘和罐体组成的危化品罐车，罐体上附有进液阀、液体排放阀、溢流阀、安全阀等多种阀门和管路，由于其运输能力较强，运输成本较低，故得到大众广泛青睐，但受多种因素影响，危化品罐车危化品泄漏事件屡次发生，据统计，2013—2018年，我国危化品罐车相关安全事故共发生2200余起，其中由罐车侧翻、刮蹭、碰撞等因素引起的危化品泄漏事件占70%以上[1]，而传统阀门管线等重要部件强度较低、容易损坏则是导致其发生的主要原因，故采取适当措施加强阀门管线强度，或设计出一种安全性、可靠性更高的截断阀装置，有效解决危化品罐车发生事故时危化品泄漏问题，其对于防止事件进一步恶化、避免发生人员伤亡具有重要意义。本文据此合理应用奥氏体不锈钢材料设计出一款危化品罐车自封堵式安全截断阀，其能通过在罐体内部切断介质通道，控制介质流通，从而避免危化品泄漏发生。

1 自封堵式安全截断阀设计

1.1 工作原理

文章设计截断阀系属安全防护部件，焊接于罐体阀门连接口，并置于罐体内，能配合罐体外多个阀门一同使用。危化品罐车正常运行时，截断阀的球形阀芯依靠重力脱离密封面，此时罐体介质正常流通；发生交通运输事故致罐体、阀门管线附件受损时，截断阀同样会在重力和罐体介质作用影响下，与阀座密封面共同完成密封，避免危化品泄漏；如果罐车罐体翻转角度较小，无法通过重力作用实现危化品密封，此时可通过气体通入口充入高压惰性气体，推动活塞向球形阀芯方向运动，促使球形阀芯与密封面紧密接触，封堵介质通道，实现危化品密封[2]。

1.2 设计结构

本文设计的截断阀主要由阀体、阀座、密封面、球形阀芯、活塞、介质通道、气体通入口等七部分组成。阀座位于截断阀阀体最上端，焊接于罐体阀门接口，介质由此进入阀体；密封面位于阀座下端，与阀体焊接相连；密封面下端有一介质通道，介质可在此随意流动；气体通入口位于阀体最下端，活塞位于气体通入口上端，活塞与介质通道之间设置球形阀芯，球形阀芯能在阀体中自由活动。

1.3 设计特点

本文设计截断阀主要包含以下6个特点：(1)截断阀自密封时，仅需要借助球形阀芯重力与罐体内介质作用，属全自动密封，不再需要借助其他外力；(2)截断阀内部无易损零件，结构简单，具有更高安全性和可靠性；(3)截断阀密封属金属密封，对温度、压力的承受能力更高，适用性更为广泛[3]；(4)截断阀内设球形阀芯，密封状态下球形阀芯可在锥形密封面上行转动调整，密封副接触属线性密封，密封性能更高，使用寿命更长；(5)截断阀无法通过重力实现密封时，可向气体通入口充入高压惰性气体实现气动密封；(6)截断阀设置于罐体内，能在不影响罐体介质正常流通基础上，提高罐车运输安全性[4]。

1.4 材料选择

本文以液化天然气(LNG)为例，其主要成分为CH4，另外含有少量CH3CH3和CH2CH2CH3，常压下，LNG密度430～470kg/m3，熔点-182℃，沸点-162℃，燃点650℃，热值52MMBtu。LNG罐体操作压力0.60～1.44MPa，操作温度-162℃，如果阀门管线材质选择不当，或阀门内部零件强度、刚度、机械性能未能达到标准，便会加大阀门管线断裂风险，致使造成密封面泄漏[5]。为解决阀门管线材质及其内部零件强度等问题，本文设计截断阀选材为奥氏体不锈钢，阀体选用铸造成型的A351CF8M(上海永龙阀门厂生产)，球形阀芯选用A182F316(无锡市威曼高登特钢有限公司生产)，阀座和活塞均选用A479304(上海隆继金属制品公司生产)。

2 自封堵式安全截断阀相关计算

2.1 阀体壁厚

本文设计截断阀阀体壁厚14.00m，为验证当前阀体壁厚是否符合标准，本文利用公式(1)计算阀体最小壁厚T(mm)，其中P表示阀体计算压力(MPa)，D表示阀体计算内径(mm)，W表示许用拉应力(MPa)，C表示腐蚀附加裕量(mm)。查阅资料发现CF8M许用拉应力为520MPa，P取0.16MPa，D取70mm，C取3mm，经计算T≈3.01mm＜14.00mm，可见本文设计截断阀阀体壁厚满足要求。

2.2 阀座壁厚

本文设计截断阀阀座壁厚14.00mm，利用公式(2)验证其是否符合阀座最小壁厚S，其中K表示系数，PN表示公称压力(MPa)，d表示阀座进口端最小内径(mm)，S0表示应力集中系数(MPa)，C表示 腐 蚀 附 加 裕 量(mm)。K取1.25，PN取1.6MPa，d取50mm，S0取48.3MPa，C取4.85mm，经计算S≈4.91mm＜14.00mm，说明本文设计截断阀阀座壁厚满足要求。

2.3 密封面比压

查阅发现不锈钢材质(存在滑动摩擦力)密封面比压标准为≤45.00MPa，利用公式(3)验证本文设计截断阀密封面比压(q)是否符合标准，其中QMZ表示密封面总作用力(N)，d表示阀座进口端最小内径(mm)，bM表示密封面线宽(mm)。QMZ取3120.56N，d取50mm，bM取0.5mm，经计算q≈39.34MPa＜45.00MPa，符合标准。

2.4 密封面接触应力

查阅发现不锈钢材质密封面接触应力标准为≤850～1050MPa，本文利用公式(4)计算密封面接触应力(σmax)，其中n3表示计算系数，F表示作用力，R1表示球形阀芯半径，R2圆柱凹槽半径，E1表示阀座材料弹性模量，E2表示球形阀芯材料弹性模量，V1表示阀座材料泊松比，V2表示球形阀芯材料泊 松 比。n3取0.9049，E1=E2取1.9*105MPa，V1=V2取0.3，经 计 算σmax≈786.78MPa≤850～1050MPa，符合标准。

3 阀座有限元分析

文章对阀座行有限元分析时，利用SolidWorks软件，经历勾画平面草图、实体生成、装配体生成等3个步骤，构建阀座阀芯密封3D实体模型。

3.1 分析前处理

本文设计截断阀焊接于罐体内部，为达到与实际情况更为接近的模拟效果，本文对阀座与罐体贴合端面即焊接面进行充分固定约束，同时需要结合公式(5)计算出外部载荷，并将其施加于阀座密封面，本文施加外部载荷量为3120.56N。

3.2 阀座材料选择

本文在阀座有限元分析过程中，阀座材料选用304不锈钢，材料特性包括：(1)弹性模量1.90*1011N/m2；(2)泊松比0.29；(3)密度8000kg/m3；(4)比热500J/(kg·K)；(5)抗剪模量7.00*1010N/m2；(6)张力强度5.17*108N/m2；(7)屈服强度2.07*108N/m2；(8)热膨胀系数1.8*105K。球形阀芯材料选用316不锈钢，材料特性包括：(1)弹性模量1.92*1011N/m2；(2)泊松比0.30；(3)密度8027kg/m3；(4)比热450J/(kg·K)；(5)抗剪模量8.20*1010N/m2；(6)张力强度4.85*108N/m2；(7)屈服强度1.70*108N/m2；(8)热膨胀系数1.65*105K。

3.3 网格划分

本文针对模型网格划分，选用实体网格类型，自动过滤与网格自动环均处于关闭状态，网格品质高，单元大小与公差分别为6.83472和0.34173，共包含8017个单元，涉及13131个节点，雅可比点数为4。

3.4 分析后处理

通过模型模拟实验，对阀座点边缘应力、连续边缘应力、点边缘位移、连续边缘位移及应变进行计算。

3.5 结果

计算结果显示，阀座密封面与球形阀芯接触位置产生最大应力，最大应力值为3.28*107N/m2，低于阀座304不锈钢材料最大屈服应力2.07*108N/m2，故该设计符合实际应用要求，截断阀内部零件可实现安全工作。最大位移值与最大应变值分别为6.772*10-2mm和1.070*10-4mm，位移、应变相对较小，在实际应用中通过肉眼观察几乎察觉不到。

4 结语

(1)以LNG为 例，基 于LNG中CH4、CH3CH3、CH2CH2CH3等主要成分物理性质，选择奥氏体不锈钢作为截断阀基础材料，该材质零部件强度高，能够满足LNG储存需求。

(2)为验证本文设计截断阀安全性，利用多项公式对截断阀内部零部件相关参数进行核算，核算结果显示截断阀中阀体壁厚、阀座壁厚、密封面比压及密封面接触应力均符合不锈钢材料相关参数标准，安全性尚佳。

(3)利用SoildWorks软件构建阀座与球形阀芯密封3D实体模型，完成有限元分析，设计过程直观，设计截断阀完整性与可靠性极佳。

(4)有限元分析结果中阀座密封面与球形阀芯接触产生最大应力，不及材料最大屈服应力，符合设计需求。