DN2400PN10特大型活塞式调流阀结构设计

丁昌斌，李志鹏

（1.博纳斯威阀门股份有限公司，天津 301802；2.长沙理工大学，湖南 长沙 410114）

人多水少，水资源时空分布不均，水资源供求矛盾突出是我国的基本国情。兴建必要的引调水工程是优化我国水资源配置战略格局，缓解资源性缺水矛盾，提高水资源安全保障能力的重要措施。近几年，我国引调水工程在数量上呈现逐渐增多以及逐渐加快的趋势，规模上也呈现逐步增大的趋势，而调流阀在引调水工程中的运用也越来越多，并且口径也越来越大，在黄水东调二期工程中就需要配套DN2400mm、PN10bar特大型活塞式调流阀。本文结合工程中对调流阀的具体要求，对黄水东调二期工程中全球最大口径的DN2400mm、PN10bar活塞式调流阀进行全新设计，以满足工程工况调节流量的要求。

1 结构设计

调流阀采用活塞轴对称的结构，介质流道呈流线纺锤形设计，出口处介质向轴心收缩，阀体内置双曲柄连杆机构驱动活塞。活塞式调流阀安装于调控阀井处，阀门口径DN=2400mm，公称压力PN=10bar，阀门前后压差△P=10m，流量调节范围Q=0-5m3/s。

1.1 阀体结构设计

大型调流阀的结构长度一般取值为1.5DN，具体结构长度根据设计要求确定。DN2400调流阀结构长度初步确定为3600mm，由于阀体的长度太长，无法加工阀体端法兰及内腔，则需要将阀体分段设计。而阀体分段的设计方案有三种形式，具体型式如图1所示。

图1 阀体三种分段形式

型式（a）中分别在阀体上游端和下游端分段，分为进水阀体、中间体和出水阀体三个部件，进水阀体长度为900mm，中间体长度为1900mm，出水阀体长度为1000mm，总长为3800mm。进水阀体、中间体和出水阀体之间采用法兰连接形式，加工有定位止口定位，法兰连接面设置有两道O形密封圈保证法兰面密封。分段后长度满足加工设备的加工范围。

型式（b）中在阀体上游端分段，分为进水阀体和出水阀体两个部件，进水阀体长度为900mm，出水阀体长度为2700mm，总长为3600mm。进水阀体和出水阀体之间采用法兰连接形式，加工有定位止口定位，法兰连接面设置有两道O形密封圈保证法兰面密封。分段后长度满足加工设备的加工范围。

型式（c）中在阀体下游端分段，分为进水阀体和出水阀体两个部件，进水阀体长度为2700mm，出水阀体长度为1000mm，总长为3700mm。进水阀体和出水阀体之间采用法兰连接形式，加工有定位止口定位，法兰连接面设置有两道O形密封圈保证法兰面密封。分段后长度满足加工设备的加工范围。

将阀体分段的三种型式进行比较，其中型式（a）的结构长度最长，并且多一对连接法兰，重量最重，成本最高，但易于加工；型式（b）结构长度最短，重量最轻，并且阀体内腔导轨部分没有分段，能够保证导轨的同轴度；型式（c）结构长度比型式（a）短，比型式（b）长，重量处于型式（a）和型式（b）之间，由于是阀体下游端分段，导轨部分也是分段加工，这样阀体的整体加工精度没有型式（b）好。通过以上三种型式的比较，选择重量轻，成本低，并且易于保证阀体整体加工精度的型式（b）最合适，也能满足阀门的设计要求。

1.2 阀体轴座部分设计

由于阀门口径大，阀体最大外圆直径达到了3240mm，则阀轴的长度达到了2800mm，阀体内支撑阀轴的轴座镗孔深度达到了2630mm，镗床无法加工。为了解决阀体轴座加工问题现将阀体轴座部分设计为通孔式，如图2所示。加工时，先加工中法兰端的轴孔，然后将阀体旋转180°，再加工对称端的轴孔，以便于满足阀体轴孔的加工要求。

图2 阀体轴座

1.3 其他部件设计

为了便于调流阀鼠笼位置清理渣滓，在阀体下游端周圈设置有检修孔，如图3所示。其余部件设计采用常规设计方案，即可满足设计要求。

图3 阀体下游端

2 主要部件有限元分析

三维有限元分析软件采用多阶高次方程几何分析方式对三维模型进行有限元分析，目的是为了检验阀门主要受力部件（阀体、活塞、活塞架）刚强度性能是否满足许用要求。

2.1 阀体有限元分析

根据实用阀门设计手册阀体壁厚计算公式：

式中，tB’为计算厚度，mm；P为计算压力，10bar；Dn为阀体最大内径，3240mm；σL：许用拉应力，58MPa；C为腐蚀余量，3mm。

计算得tB'=39.7mm，取阀体壁厚实际值=45mm，大于，满足设计要求。

阀体分为进水阀体和出水阀体两部分，分别进行有限元分析，全部采用多阶高次方程曲线几何划分网格，在壳体试验压力1.5MPa阀门处于全开状态下进行应力和形变仿真计算，其材料为QT450-10，屈服强度为310MPa，由于整个阀门属于对称结构，所以在满足仿真要求的基础上取阀体的一半结构进行仿真计算，应力仿真结果如图4所示，形变仿真结果如图5所示。

图4 进水阀体应力仿真图

图5 进水阀体形变仿真图

由进水阀体应力仿真图可以看出进水阀体应力集中出现在进水阀体的入口区域内侧。最大应力值70.098MPa小于屈服强度（310MPa）的1/3(103MPa)，满足设计要求。

由进水阀体形变仿真图可以得知最大形变出现在进水阀体的中间区域，并向两边逐渐缩小。最大形变值为0.2869mm，满足设计要求。

得到出水阀体应力仿真云图如图6所示，形变仿真云图如图7所示。

图6 出水阀体应力仿真图

图7 出水阀体形变图

由出水阀体应力仿真图可以得知，其应力集中出现在出水阀体外壳内侧导流板附近区域和出水阀体外壳外侧导流板之间的区域。最大应力值101.96MPa小于屈服强度（310MPa）的1/3(103MPa)，满足设计要求。

由出水阀体形变图可以看出，最大形变集中出现在出水阀体外壳导流板之间的区域，并由区域中心向四周逐渐缩小。最大形变值为0.54617mm，满足设计要求。

2.2 活塞有限元分析

对活塞部分进行有限元分析，全部采用多阶高次方程曲线几何划分网格，在密封试验压力1.1MPa阀门处于全关状态下进行应力和形变仿真计算，其材料为06Cr19Ni0，屈服强度为205MPa，由于活塞属于对称结构，所以在满足仿真要求的基础上取活塞的一半结构进行仿真计算，得到其应力仿真如8图所示，变形如图9所示。

图8 活塞应力仿真图

图9 活塞形变仿真图

由活塞应力仿真图可以看出其应力集中主要出现在导轨与活塞相接触部分的内侧面。最大应力值43.122MPa小于屈服强度（205MPa）的1/3(68MPa)，满足设计要求。

由活塞形变仿真图可以看出活塞的最大形变出现在活塞与水直接接触的各个面，并由各个面的中心向四周逐渐缩小。最大形变值为0.081996mm，满足设计要求。

3 结语

（1）阀门结构型式合理，且重量最轻，成本最低，满足设计、制造要求。

（2）阀门主要部件经过有限元分析，从应力分布云图上可以看出，主要部件局部应力和平均应力均满足许用要求，刚强度满足设计要求。