以高温高压球阀为研究对象,通过对密封必需比压和弹簧预紧力进行理论计算,建立组合密封结构和阀座与球体接触的有限元模型,并对球阀在不同介质压力下的阀座密封面的密封特性和接触疲劳寿命进行了分析。结果表明,随着内部介质压力的增大,球阀球体与阀座上的等效应力和密封比压呈现上升趋势,最大密封比压出现的位置在密封面与球体接触的外圈边缘处。通过接触疲劳寿命分析得到结果显示,密封面与球体接触的外圈边缘处接触疲劳损伤达到最大,接触疲劳寿命最小,与最大密封比压分布位置相同,这也说明在长期工作情况下,该位置属于薄弱区域,在设计、加工和维护过程中应加以关注。

金属硬密封三偏心蝶阀在关闭状态下的密封比压决定着该阀的密封性能和工作寿命,优化金属硬密封部件的结构参数十分重要。以DN600三偏心蝶阀为研究对象,利用有限元分析法,分析密封面上密封比压分布规律。提出利用密封配合面周向间隙指标判断蝶阀的密封性能,利用Box-Behnken响应面优化方法对密封构件的结构进行优化,分析复合阀板座大、小径端切割厚度、复合阀板座直径及其交互作用对密封面最大密封比压的影响,得出最优设计方案。结果表明,在不影响蝶阀密封的前提下,优化复合阀板座参数后,密封面最大密封比压从202.96 MPa下降到128.44 MPa。对优化后蝶阀进行封闭打压密封实验,验证了其密封性能的可靠性。

三偏心蝶阀是在双偏心蝶阀结构的基础上增加了一个密封角度偏心,其密封机理为扭力密封。三偏心蝶阀的密封性能与三个偏心值的设计相关,但同时还要根据阀门的公称通径和关闭压差情况设计合理的密封面过盈量,才能使阀门满足密封性能要求。基于ANSYS有限元非线性理论和过盈配合模型,对公称通径为DN500,公称压力为300Lb的三偏心蝶阀进行了仿真分析,得出其在不同关闭压差条件下,阀门密封面的接触压力分布情况及密封面过盈量对密封比压的影响,对三偏心蝶阀的设计工作具有借鉴意义。

某三偏心金属蝶阀在工作中承受瞬时高温、高压冲击,为探索该环境工况对蝶阀密封性能的影响,采用Ansys软件对蝶阀进行热-结构间接耦合分析,研究高温、高压冲击下蝶阀的变形、应力分布和密封特性。蝶阀的温度分布结果表明瞬间的高温仅造成蝶阀温度升高0.23 K,而3.0 MPa的冲击可使得阀门密封面之间的接触应力平均增大60.0 MPa。密封比压的增大表明阀门在冲击下密封情况良好,分析结果可为特殊工况条件下三偏心蝶阀的选型与改进提供指导。

在LNG超低温浮动球阀密封性能的研究过程中,基于ANSYS Workbench软件对密封面的压力角和密封面宽度对密封比压的影响展开数值模拟计算。结果表明:随着压力角的增大,阀座密封面的上下端密封比压值也随之增大,而在中端的密封比压值先减小后增大;随着密封面宽度的减小,上中下端的密封比压值也在增大。分析得出:压力角为42°,接触面宽度为5 mm时,密封面的利用率最高,有效密封面宽度最大,密封比压值也满足密封要求。该分析结果为超低温浮动球阀的密封面结构设计做了理论铺垫。

以金属硬密封球阀为研究对象,建立阀座与球体接触的有限元模型,计算密封比压和弹簧预紧力的大小。采用ANSYS Workbench对密封结构进行温度场分析,并将温度结果导入静力学模块进行耦合分析,分别取5组密封面宽度和6组压力角数据进行模拟。结果表明:密封比压随着密封面宽度的增加而减小,随着压力角的增加而增大。

长输管线球阀在使用时可能承受管道沉降、移动、热应力等复杂载荷作用。为确保球阀安全运行,以某公司研发的城市供暖用特大口径全焊接管线球阀为例,基于有限元数值模拟方法,计算在操作工况下阀座密封圈与球体的接触压力,发现全开球阀阀座密封面的密封比压偏小,难以保证球阀的操作密封性能。研究了密封圈采用不同的密封宽度和压力角对密封性能的影响规律,结果表明,接触应力随着密封面宽度和压力角的减小而增大,当密封面宽度为15mm,密封压力角为43.25°时接触应力达到最大,满足密封要求。根据研究结果提出改进密封结构,改进后的密封圈采用双斜面与球体接触结构,球阀在开启状态下最大密封比压达到14.54MPa,最小值也大于密封必须比压,密封性能可靠。

在油气开采向深水、高温、高压环境发展的大趋势下,密封技术决定了水下生产系统的可靠性和安全性。设计了一种水下油管悬挂器出油口处U形金属圈,以密封性能和结构强度2个评判指标来评定金属密封圈的性能。参考AMSEⅧ-2中的结构塑性垮塌分析和局部失效的分析方法,结合有限元数值模拟研究U形金属圈在1.5倍额定工作压力的测试压力下的密封性能和结构强度。结果表明:在预紧和生产工况下,U形金属圈的密封性能满足设计要求,其接触唇有效接触宽度上的接触压力均满足预紧比压和工作比压要求。在测试工况下,密封圈整体结构满足防止塑性垮塌和局部失效评定的要求,但密封圈接触唇处易发生局部失效,应重点设计其接触唇的圆弧曲率半径。

针对液体火箭发动机大直径高温高压轻量化法兰变形量大导致密封泄漏的问题,采用Walters法结合三维仿真实验对法兰变形进行分析,阐明了法兰变形量及U-E金属主/副密封面密封比压变化,通过法兰变形量对U-E主/副密封之间的高度进行匹配设计;对于U-E密封复杂横截面多结构参数,设计正交实验,结合法兰变形量,系统开展了U-E金属主/副密封设计。结果表明:法兰变形导致压缩量减小,密封回弹量增大,可导致U-E结构的密封比压不足;通过增加压缩量,增加U-E主/副密封高度差,U-E密封正交试验的结构优化,有效地解决了法兰变形下的密封比压不足问题。对优化后的结构进行重复充泄压试验,试验结果均满足要求。

作用于超超临界机组球阀密封结构接触面沿介质流动方向上的合力大小是影响其密封性的关键因素为使达到规定的密封效果阀球与阀座密封需进行配对研磨。该文介绍了球阀失效机理根据超超临界机组球阀实际工况建立密封模型采用理论计算与有限元分析验证相结合的方法对阀座密封比压进行研究分别得出球阀进口端阀座密封比压计算公式和阀座上密封比压的分布规律为解决球阀阀座与阀球接触的密封问题提供必要的理论基础。