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DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2017.11.067
摘 要：为进一步改善和提高夹板阀在使用过程中操作安全性、工作效率以及后期维护易损件的快速互换性；通过收集和分析一線操作者的反馈信息对传统夹板阀进行结构改型优化设计；试验表明启闭功能完全能够满足使用需求且维护快捷，设计结构简洁新颖、安全稳定尤其是在造价成本上无论是改造还是重新加工制造都得到了节约，同时也为进一步设计和制造高技术含量管道夹板阀积累技术经验，这对从事管道开孔、封堵施工作业能力的提高也具有一定帮助作用。
关键词：夹板阀 旁通阀 互换性 浮动密封 强度计算
中图分类号：TM304 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）04（b）-0067-02
夹板阀是石油天然气管线维抢修、管线建设施工中开孔和封堵施工作业中的重要设备，配合三通、开孔机、封堵缸以及结合器完成管线开孔、封堵，从而进行旁通引流断管改线等施工任务的专用阀门，其密封性、操作方式以及应急维护等方面的优劣对管线施工有重要的影响。针对传统夹板阀存在的一些潜在失效模式进行定性预定量分析，并结合力学模型进行校核计算，确定保证强度稳定性机械几何结构。
1 设计原理分析
1.1 技术背景
夹板阀又称三明治阀，主要由阀体、阀芯及驱动阀芯启闭的丝杠或液压系统组成，目前经常使用的老式夹板阀主要以三片式结构为主，即由上下阀体和阀芯组成，密封形式是在阀芯两侧上加工凹槽通过压圈固定O型圈，此种硬性密封仅能实现单向密封，也就是说，单侧受压力作用仅有一道密封起作用，当阀芯两侧压力不能达到100%平衡时，驱动阀芯可能会导致受力侧密封圈被剪切造成泄露风险；其次中腔未和上下阀腔压力平衡孔连通也有可能存在憋压现象，导致启闭阀芯困难；再次针对一些进口的夹板阀，为防止在工作状态下意外拆卸旁通阀造成事故，将旁通阀通过腔体平衡孔中的定位管锁定，虽然提高了安全系数，但是在进行压力试验或是在施工现场当旁通阀O型密封圈出现损坏泄露时，需要拆卸整个阀体，才可以更换所以部件互换性较差，无形中增加劳动工作量尤其在紧急情况下严重影响工程进度。
还有一种比较常用的焊接式三片夹板阀，此种形式有值得学习和借鉴地方就是采用浮动双向密封、双道密封来防止由于密封圈剪切造成泄漏。但是浮动调节量基本是一个定值，不能实现线性可调控制弹簧压缩量，其结构形式是用卡环片插入浮动环圆周槽内，通过螺钉固定在阀体凹槽内，在工作状态下浮动环与阀芯密封的接触间隙应为0.5mm，如此小的量值主要受弹簧的理论压缩量计算值、浮动环厚度、阀体凹槽深度3个因素影响，变量因素较多，制造、装配影响不便于精准控制。尤其是在装配时测量所有均布弹簧压缩高度值，若弹簧过长压缩量过多浮动环与阀体件相互作用力过大导致阀芯启闭困难密封圈受剪切损坏；若弹簧压缩量过小，自身作用力未能起到支撑阀芯的目的，当阀芯受到管道中介质作用力抵消时大于弹簧力，导致受力侧不能密封仅是未受力侧单道密封。此外，旁通阀仍使用锥体硬机械密封且密封面在阀体本身，当阀体椎体密封面损坏时维修阀体的经济成本也相当大，同时还需要考虑材料的可焊接性、无损检测等方面采取严格有效的控制措施，因为有焊缝存在的地方就有可能存在一定潜在的风险，制造成本也相对较高。
1.2 设计几何结构
首先，针对以上问题从整体结构重要功能性分析入手，考虑重量和加工成本确定为两片式结构即由上下阀体和阀芯组成，由于夹板阀属于非标元件，根据GB 150.3将其抽象成非圆形平盖法兰并当量成圆形平盖法兰进行阀体厚度计算（具体计算过程收录在参考文献[1]中）；同时结合有限元和弹性力学的理论，利用ANSYS软件进行参数化建模，并通过带有接触关系的结构有限元分析来验证常规算法；加工制造采用CNC整体加工成型，由于不存在焊接材料上选取许用应力较高铬钼钢锻造进行制造，尽可能在满足安全可靠性的前提下降低结构重量。外观形式符合目前无障碍功能操作设计理念，用于紧固上下阀体的双头螺柱六角螺母改型设计成开槽圆形螺母装配入阀体表面沉孔中，既满足阀体本身强度要求，又不影响实际施工作业中对使用工器具操作功能的障碍影响，吊装设计一改传统吊环螺钉吊装方式，增设专用吊具满足施工现场整体水平、倾斜吊装及二次搬运的安全性和便捷性。
其次，从安全角度考虑密封形式为浮动双向双道密封，具体结构上一版分析试验样图首先采用依靠上下阀体嵌入式碟形弹簧来控制装有密封圈的浮动环与阀芯间隙实现密封，碟形弹簧是在轴向上呈锥形并承受负载的特殊弹簧，在承受负载变形后，储蓄一定的势能，当浮动环与阀芯间隙过大时，碟形弹簧释放部分势能以保持压力间隙达到密封要求。碟形弹簧应力分布由里到外均匀递减，能够实现低行程高补偿力的效果。虽然结构形式简单但是由于单片碟形弹簧负载变形特性曲线呈非线性关系，其变形量和负荷值往往不能满足负载较大时夹板阀的使用要求，也就是说要微调控制其有效行程比较困难。经过二次分析论证最终采用常规圆柱螺旋压缩弹簧，在浮动环径向外侧设有密封圈与阀体配合密封，一侧端面加工镶嵌密封圈凹槽并用密封压环固定，另一侧圆周均布设置安装弹簧的螺纹孔，再将封装弹簧放置入孔中盖上旋帽通过旋转外螺纹环调整弹簧至计算压缩量的适当高度，最后将浮动环部件整体装入阀体并用定位块锁定，此种方式仅需要控制调节弹簧旋帽高度即可，影响因素较少并且可控，即使存在一定加工精度误差，通过调节也可弥补误差，实现对弹簧线性连续微量调节。优化设计后的浮动环结构将密封圈、弹簧及其调节件集成于一体，实现密封、可微调封装式结构，确保阀芯两侧均一直处于均衡受力始终保持双道密封状态，导轨主要起到导向的作用这样可以使阀芯启闭顺畅自如，不会出现卡塞现象。
最后，以便后期保养维护角度考虑，在压力平衡装置旁通阀的结构设计方面，将其设计成独立密封结构，锥形阀针与其配合密封的锥形孔体通过双层螺纹装配，密封锥面单体零件便于在数控机床上加工制造及表面热处理，当部件出现损坏时可以整体更换，从而不用在阀体上加工锥形密封面，降低加工难度，装配时阀座从阀体内部圆形定位孔装入，阀体及阀针从阀体外侧装入阀体定位孔中，旋转端盖螺母将阀座阀体拧紧，并将端盖用螺钉紧固于阀体上。实际操作时在阀体外侧旋拧阀针使上下阀体压力平衡，同时也不会因机械震动导致螺纹松动或意外人为拆卸造成危险事故，进行压力试验及现场维护更换方便，不依赖整个阀体。
2 结语
通过前期试验以及在石油天然气管道开孔、封堵施工应用中的反馈信息表明，公称通径DN300以上均可采用改型后的两片式浮动双道密封夹板阀结构配合机械螺纹驱动，DN500以上考虑到受力较大不便于机械驱动，可采用液压驱动性能良好，且适用于各种高、中、低压的不同压力等级，无论是静态密封还是机械带负荷运转稳定性等各项性能指标可以满足使用要求，维修、拆装方便，结构简易，备件集成化程度高，互换性较好，大大提高了施工作业效率，反应效果良好。
参考文献
[1] Q/TL Q01-2015，天津绿清管道科技股份有限公司企业标准[S].
[2] 中华人民共和国国家标准，GB 150.1-150.4-2011，压力容器[S].
[3] 中华人民共和国化工行业标准，HG/T2 0582-2011，钢制化工容器强度计算规定[S].
[4] 中华人民共和国国家标准，GB/T 28055-2011，钢制管道带压封堵技术规范[S].
[5] 中华人民共和国石油天然气行业标准，SY/T 6150.1-2011，钢制管道封堵技术规程 第一部分：塞式、筒式封堵[S].
[6] 杨源泉.阀门设计手册[M].北京：机械工业出版社，1995.
摘 要：为进一步改善和提高夹板阀在使用过程中操作安全性、工作效率以及后期维护易损件的快速互换性；通过收集和分析一線操作者的反馈信息对传统夹板阀进行结构改型优化设计；试验表明启闭功能完全能够满足使用需求且维护快捷，设计结构简洁新颖、安全稳定尤其是在造价成本上无论是改造还是重新加工制造都得到了节约，同时也为进一步设计和制造高技术含量管道夹板阀积累技术经验，这对从事管道开孔、封堵施工作业能力的提高也具有一定帮助作用。
关键词：夹板阀 旁通阀 互换性 浮动密封 强度计算
中图分类号：TM304 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）04（b）-0067-02
夹板阀是石油天然气管线维抢修、管线建设施工中开孔和封堵施工作业中的重要设备，配合三通、开孔机、封堵缸以及结合器完成管线开孔、封堵，从而进行旁通引流断管改线等施工任务的专用阀门，其密封性、操作方式以及应急维护等方面的优劣对管线施工有重要的影响。针对传统夹板阀存在的一些潜在失效模式进行定性预定量分析，并结合力学模型进行校核计算，确定保证强度稳定性机械几何结构。
1 设计原理分析
1.1 技术背景
夹板阀又称三明治阀，主要由阀体、阀芯及驱动阀芯启闭的丝杠或液压系统组成，目前经常使用的老式夹板阀主要以三片式结构为主，即由上下阀体和阀芯组成，密封形式是在阀芯两侧上加工凹槽通过压圈固定O型圈，此种硬性密封仅能实现单向密封，也就是说，单侧受压力作用仅有一道密封起作用，当阀芯两侧压力不能达到100%平衡时，驱动阀芯可能会导致受力侧密封圈被剪切造成泄露风险；其次中腔未和上下阀腔压力平衡孔连通也有可能存在憋压现象，导致启闭阀芯困难；再次针对一些进口的夹板阀，为防止在工作状态下意外拆卸旁通阀造成事故，将旁通阀通过腔体平衡孔中的定位管锁定，虽然提高了安全系数，但是在进行压力试验或是在施工现场当旁通阀O型密封圈出现损坏泄露时，需要拆卸整个阀体，才可以更换所以部件互换性较差，无形中增加劳动工作量尤其在紧急情况下严重影响工程进度。
还有一种比较常用的焊接式三片夹板阀，此种形式有值得学习和借鉴地方就是采用浮动双向密封、双道密封来防止由于密封圈剪切造成泄漏。但是浮动调节量基本是一个定值，不能实现线性可调控制弹簧压缩量，其结构形式是用卡环片插入浮动环圆周槽内，通过螺钉固定在阀体凹槽内，在工作状态下浮动环与阀芯密封的接触间隙应为0.5mm，如此小的量值主要受弹簧的理论压缩量计算值、浮动环厚度、阀体凹槽深度3个因素影响，变量因素较多，制造、装配影响不便于精准控制。尤其是在装配时测量所有均布弹簧压缩高度值，若弹簧过长压缩量过多浮动环与阀体件相互作用力过大导致阀芯启闭困难密封圈受剪切损坏；若弹簧压缩量过小，自身作用力未能起到支撑阀芯的目的，当阀芯受到管道中介质作用力抵消时大于弹簧力，导致受力侧不能密封仅是未受力侧单道密封。此外，旁通阀仍使用锥体硬机械密封且密封面在阀体本身，当阀体椎体密封面损坏时维修阀体的经济成本也相当大，同时还需要考虑材料的可焊接性、无损检测等方面采取严格有效的控制措施，因为有焊缝存在的地方就有可能存在一定潜在的风险，制造成本也相对较高。
1.2 设计几何结构
首先，针对以上问题从整体结构重要功能性分析入手，考虑重量和加工成本确定为两片式结构即由上下阀体和阀芯组成，由于夹板阀属于非标元件，根据GB 150.3将其抽象成非圆形平盖法兰并当量成圆形平盖法兰进行阀体厚度计算（具体计算过程收录在参考文献[1]中）；同时结合有限元和弹性力学的理论，利用ANSYS软件进行参数化建模，并通过带有接触关系的结构有限元分析来验证常规算法；加工制造采用CNC整体加工成型，由于不存在焊接材料上选取许用应力较高铬钼钢锻造进行制造，尽可能在满足安全可靠性的前提下降低结构重量。外观形式符合目前无障碍功能操作设计理念，用于紧固上下阀体的双头螺柱六角螺母改型设计成开槽圆形螺母装配入阀体表面沉孔中，既满足阀体本身强度要求，又不影响实际施工作业中对使用工器具操作功能的障碍影响，吊装设计一改传统吊环螺钉吊装方式，增设专用吊具满足施工现场整体水平、倾斜吊装及二次搬运的安全性和便捷性。
其次，从安全角度考虑密封形式为浮动双向双道密封，具体结构上一版分析试验样图首先采用依靠上下阀体嵌入式碟形弹簧来控制装有密封圈的浮动环与阀芯间隙实现密封，碟形弹簧是在轴向上呈锥形并承受负载的特殊弹簧，在承受负载变形后，储蓄一定的势能，当浮动环与阀芯间隙过大时，碟形弹簧释放部分势能以保持压力间隙达到密封要求。碟形弹簧应力分布由里到外均匀递减，能够实现低行程高补偿力的效果。虽然结构形式简单但是由于单片碟形弹簧负载变形特性曲线呈非线性关系，其变形量和负荷值往往不能满足负载较大时夹板阀的使用要求，也就是说要微调控制其有效行程比较困难。经过二次分析论证最终采用常规圆柱螺旋压缩弹簧，在浮动环径向外侧设有密封圈与阀体配合密封，一侧端面加工镶嵌密封圈凹槽并用密封压环固定，另一侧圆周均布设置安装弹簧的螺纹孔，再将封装弹簧放置入孔中盖上旋帽通过旋转外螺纹环调整弹簧至计算压缩量的适当高度，最后将浮动环部件整体装入阀体并用定位块锁定，此种方式仅需要控制调节弹簧旋帽高度即可，影响因素较少并且可控，即使存在一定加工精度误差，通过调节也可弥补误差，实现对弹簧线性连续微量调节。优化设计后的浮动环结构将密封圈、弹簧及其调节件集成于一体，实现密封、可微调封装式结构，确保阀芯两侧均一直处于均衡受力始终保持双道密封状态，导轨主要起到导向的作用这样可以使阀芯启闭顺畅自如，不会出现卡塞现象。
最后，以便后期保养维护角度考虑，在压力平衡装置旁通阀的结构设计方面，将其设计成独立密封结构，锥形阀针与其配合密封的锥形孔体通过双层螺纹装配，密封锥面单体零件便于在数控机床上加工制造及表面热处理，当部件出现损坏时可以整体更换，从而不用在阀体上加工锥形密封面，降低加工难度，装配时阀座从阀体内部圆形定位孔装入，阀体及阀针从阀体外侧装入阀体定位孔中，旋转端盖螺母将阀座阀体拧紧，并将端盖用螺钉紧固于阀体上。实际操作时在阀体外侧旋拧阀针使上下阀体压力平衡，同时也不会因机械震动导致螺纹松动或意外人为拆卸造成危险事故，进行压力试验及现场维护更换方便，不依赖整个阀体。
2 结语
通过前期试验以及在石油天然气管道开孔、封堵施工应用中的反馈信息表明，公称通径DN300以上均可采用改型后的两片式浮动双道密封夹板阀结构配合机械螺纹驱动，DN500以上考虑到受力较大不便于机械驱动，可采用液压驱动性能良好，且适用于各种高、中、低压的不同压力等级，无论是静态密封还是机械带负荷运转稳定性等各项性能指标可以满足使用要求，维修、拆装方便，结构简易，备件集成化程度高，互换性较好，大大提高了施工作业效率，反应效果良好。
参考文献
[1] Q/TL Q01-2015，天津绿清管道科技股份有限公司企业标准[S].
[2] 中华人民共和国国家标准，GB 150.1-150.4-2011，压力容器[S].
[3] 中华人民共和国化工行业标准，HG/T2 0582-2011，钢制化工容器强度计算规定[S].
[4] 中华人民共和国国家标准，GB/T 28055-2011，钢制管道带压封堵技术规范[S].
[5] 中华人民共和国石油天然气行业标准，SY/T 6150.1-2011，钢制管道封堵技术规程 第一部分：塞式、筒式封堵[S].
[6] 杨源泉.阀门设计手册[M].北京：机械工业出版社，1995.