一、超高压井口闸阀工作原理

    超高压井口闸阀由阀杆护套、手轮、止推轴承、阀杆螺母、阀杆、轴承座、阀盖、阀体、阀板、阀座、尾杆等组成（见图1）。

图1 井口闸阀结构示意图

    其中，阀板与阀杆利用T型槽挂接，阀板与阀座靠波形弹簧相互自由贴紧。当顺（逆）时针旋转手轮时，手轮带动铜螺母旋转，阀杆向下（上）移动，从而带动阀板下（上）行。

    二、三维实体模型建立

    为了方便分析，本文对超高压井口闸阀的承压阀体结构作了部分简化，把主体简化为一个复杂的压力容器，阀体中央有一个垂直通孔用于通过阀板，两侧有一个圆形通孔与中央垂直通孔相贯，用于通过高压介质，另两侧有加强筋，阀体相对于过中心点的3个正交垂面基本对称。

    三、超高压闸阀阀体的有限元计算

    采用Solidworks及Cosmos分析软件对超高压阀体结构进行约束定义、材料设定和网格划分。模型离散后产生35688个节点、22238个单元。

    1.材料性能参数

    PFF65-140法兰式平行闸阀阀体的材料为优质合金钢，经调质处理（硬度207～237HB），其力学参数如表1。

表1 PFF65-140法兰式平行闸阀阀体材料性能参数

    2.约束、载荷条件

    （1）在静水压试验状态，闸阀两侧的圆形通孔用密封盲板覆盖，拧上螺栓，内腔加水压至额定工作压力的1.5倍，即210MPa。

    （2）在工作状态下，额定工作压力为140MPa。①半开，即阀体腔内全部受载；②全关或全开（因闸阀在全关与全开状态时，阀体约束及载荷完全一致），即两侧圆形通孔与阀座孔均布受载。

    3 有限元分析结果及校核

    3.1 在静水压试验状态下（210MPa）

    阀体两侧圆形通孔与阀座孔交接的顶（底）部最大应力为665.3MPa，见图2a。根据ASME规范应力分类的理论，阀体受内压时，该处有展开的趋势，其最大应力点的等效应力是由一次薄膜应力σm和一次弯曲应力σw叠加而成的。而对水压试验的容器，试验应力下的强度条件为σm+σw≤1.35σs；计算值σm+σw=665.3MPa，1.35σs=837MPa。最大变形位移0.15mm，位置在阀体的对称两侧壁上，见图2b，均符合设计要求。

图2 闸阀阀体计算云图（静水压）    

    3.2 在额定工作状态下（140MPa）

    （1）闸阀半开状态下（140MPa），阀体两侧圆形通孔，与阀座孔交接的顶（底）部最大应力为442MPa，见图3a。而额定工作压力下的强度条件为σm+σw≤σs；计算值σm+σw=442MPa，σs=620MPa。最大变形位移0.1mm，位置在阀体的对称两侧壁上，见图3b，均符合设计要求。

图3 闸阀阀体计算云图（半开）

    （2）闸阀全开或全关状态下（140MPa）阀体两侧圆形通孔与阀座孔交接的顶（底）部最大应力为304MPa，见图4a。而额定工作压力下的强度条件为σm+σw≤σs；计算值σm+σw=304MPa，σs=620MPa。最大变形位移0.05mm，位置在阀座孔与两侧圆形通孔交接处的两侧壁上，见图4b，均符合设计要求。

图4 闸阀阀体计算云图（全开或全关）

    四、结束语

    （1）无论在静水压试验，还是额定工作条件下，闸阀半开或全开或全关时，阀体所受的最大应力位置均是两侧圆形通孔，与阀座孔交接的顶（底）部。

    （2）将超高压井口闸阀阀体简化为内腔结构复杂的厚壁压力容器，其是否满足强度要求，应采用ASME规范分析应力的组合情况，从而给出不同的强度限制条件，才能全面地反映设备在实际使用和试验状态时的真实情况。

    （3）以有限元软件为平台建立数值模型对开发的超高压井口闸阀阀体进行受力模拟计算可以获得接近真实的应力强度及变形分布规律。合理结合试验手段可大大降低设计成本，缩短设计周期。