用于电动楔形闸阀的改进设计方法与流程

本发明涉及核电设备选型，尤其涉及用于电动楔形闸阀的改进设计方法。

背景技术：

1、核电厂安注系统所用电动楔形闸阀作为流体隔离关键设备，现有同类阀门普遍存在设计匹配缺陷。原有阀门配套电动装置额定力矩裕量不足，阀座压紧力达不到密封需求，长期运行易出现介质内漏，破坏安全壳屏障完整性；同时原配阀杆螺纹段外径偏小、单头螺纹承载能力有限，若通过更换大扭矩执行机构解决内漏问题，执行机构堵转力矩会超出阀杆极限承载，在调试、保护失灵工况下易引发阀杆塑性弯曲，造成阀门启闭功能丧失，直接影响应急注入系统可靠投运。当前常规处置仅更换驱动装置，无法解决阀杆强度不匹配根源问题，行业缺少一体化改进设计流程，传统改造方案常需切割管线，损伤核级管道，且无标准化力学校核、抗震仿真与成套鉴定试验体系，难以满足高温压差、地震、堵转等严苛工况规范，存在持续性核安全隐患，急需一套同步实现密封补强与阀杆抗弯强化的成套设计方法。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术存在的问题，提供用于电动楔形闸阀的改进设计方法。

2、本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：用于电动楔形闸阀的改进设计方法，方法包括以下步骤：

3、步骤s1：获取原阀门的结构参数和原电动头的参数，所述原电动头的参数包括原额定输出力矩和原堵转力矩；

4、步骤s2：根据所述结构参数计算所述原阀门满足密封要求所需的最小关闭力矩，以及所述原阀门的原阀杆最大承载力矩；

5、步骤s3：若所述原额定输出力矩小于所述最小关闭力矩，则进入步骤s5；

6、步骤s4：若所述原阀杆最大承载力矩小于所述原堵转力矩，则进入步骤s5；

7、步骤s5：根据所述最小关闭力矩和当前的阀杆最大承载力矩，从电动头数据库中筛选满足条件的候选电动头；

8、步骤s6：若筛选到满足条件的候选电动头，则进入步骤s8；若未筛选到，则进入步骤s7；

9、步骤s7：生成阀杆强化方案，并计算强化后的阀杆最大承载力矩，将所述强化后的阀杆最大承载力矩作为当前的阀杆最大承载力矩，返回步骤s5；

10、步骤s8：输出所述候选电动头的型号或所述阀杆强化方案，作为所述阀门的改进设计方案。

11、优选地，所述结构参数包括密封面平均直径、阀座角度、密封面摩擦系数和最大运行压力；

12、步骤s2中，所述根据所述结构参数计算所述原阀门满足密封要求所需的最小关闭力矩包括：

13、根据所述密封面平均直径、所述阀座角度、所述密封面摩擦系数和所述最大运行压力，按照以下公式计算所述电动楔形闸阀关闭过程中阀瓣与阀座之间的阀瓣摩擦阻力：

14、

15、根据所述最大运行压力和所述阀杆的直径，按照以下公式计算所述电动闸阀关闭过程中介质作用于所述阀杆上的阀杆不平衡力：

16、

17、根据所述阀杆的直径和填料参数，按照以下公式计算所述阀杆与填料之间的填料摩擦阻力：

18、

19、其中，为填料压紧系数，为填料高度；

20、根据所述阀瓣摩擦阻力、所述阀杆不平衡力和所述填料摩擦阻力之和，得到所述电动闸阀关闭所需的最小推力：

21、

22、根据所述最小推力、第一螺纹转换系数、预设的安全系数和远传机构效率，按照以下公式得到所述最小关闭力矩；

23、

24、其中，为所述最小关闭力矩。

25、优选地，所述原堵转力矩根据所述原额定输出力矩和所述原电动头的堵转力矩与额定力矩之间的比例系数k按照以下公式计算：

26、

27、其中，为所述原堵转力矩，为原额定输出力矩。

28、优选地，所述结构参数还包括所述阀杆的螺纹中径、螺纹升角、梯形螺纹牙型角的一半、所述阀杆的螺纹大径、螺距、所述阀杆材料的屈服强度、弹性模量e、计算长度、长度系数、所述阀杆材料的抗拉强度；

29、步骤s2中，所述计算所述原阀门的阀杆最大承载力矩包括：

30、根据所述阀杆的计算长度、长度系数和所述阀杆的螺纹小径，按以下公式计算阀杆的长径比/：

31、

32、根据所述阀杆材料的屈服强度和所述弹性模量，计算所述阀杆的临界长径比：

33、

34、比较所述长径比/与所述临界长径比：

35、若/<，则按照以下公式计算所述阀杆的许用压缩应力：

36、

37、并取：

38、

39、若≤/<120时，则按照以下公式计算所述阀杆的许用压缩应力：

40、

41、若120≤/<200，则按照以下公式计算所述阀杆的许用压缩应力：

42、

43、根据所述螺纹中径、所述螺纹升角、所述梯形螺纹牙型角的一半，按照以下公式计算第二螺纹转换系数：

44、

45、根据所述许用压缩应力、所述阀杆的螺纹大径、所述螺距和所述第二螺纹转换系数，按照以下公式计算所述阀杆的失稳临界力矩：

46、

47、将所述失稳临界力矩作为所述原阀杆最大承载力矩。

48、优选地，步骤s2中，所述计算所述原阀门的阀杆最大承载力矩还包括：

49、根据所述原堵转力矩、所述第二螺纹转换系数和所述阀杆的螺纹小径，按照以下公式计算所述阀杆的实际最大拉应力：

50、

51、若所述实际最大拉应力小于等于所述阀杆材料的抗拉强度，则判定所述阀杆满足拉应力强度要求，若所述实际最大拉应力大于所述阀杆材料的抗拉强度，则判定所述阀杆强化方案不符合要求。

52、优选地，步骤s5中，所述筛选满足条件的候选电动头包括：

53、比较所述候选电动头的额定输出力矩与所述最小关闭力矩的大小，以及比较所述候选电动头的堵转力矩与当前的阀杆最大承载力矩的大小；

54、若所述额定输出力矩大于等于所述最小关闭力矩且所述堵转力矩小于或等于阀杆最大承载力矩，则判定所述候选电动头满足条件。

55、优选地，所述步骤s7中，所述生成阀杆强化方案包括以下方式中的一种或多种：

56、增大所述阀杆的螺纹外径；

57、将所述阀杆的单头螺纹改为多头螺纹；

58、将所述阀杆的材料由第一合金替换为第二合金，所述第二合金的屈服强度高于所述第一合金的屈服强度；

59、消除所述阀杆的退刀槽结构，将螺纹与光杆的过渡区域设置为圆角过渡或自然过渡。

60、优选地，所述增大所述阀杆的螺纹外径包括：将所述阀杆的螺纹外径由第一直径增大至第二直径，所述第二直径等于所述阀杆光杆部位的外径；

61、所述将所述阀杆的单头螺纹改为多头螺纹包括：将所述阀杆的螺纹由单头螺纹改为双头螺纹；

62、所述将所述阀杆的材料由第一合金替换为第二合金包括：将所述阀杆材料由x6crnicu17-04替换为nc19fenb。

63、优选地，所述方法还包括：步骤s9：获取根据步骤s8输出的改进设计方案制造的样机在验证试验中的验证结果数据，判断所述验证结果数据是否满足预设判定条件，若是，则确认所述改进设计方案符合要求。

64、优选地，所述验证试验包括力学计算、仿真分析、整阀开关动作试验、堵转试验、阀座密封试验、水压试验、循环试验、冷热交变试验、地震性能试验、热冲击试验和高能管线断裂测试中的一种或多种；

65、当所述验证试验包括堵转试验时，所述验证结果数据包括阀杆在堵转试验后的形变数据，所述预设判定条件包括所述阀杆的形变数据小于或等于形变阈值。

66、本发明的有益效果是，本技术提供用于电动楔形闸阀的改进设计方法，方法包括以下步骤：步骤s1：获取原阀门的结构参数和原电动头的参数，所述原电动头的参数包括原额定输出力矩和原堵转力矩；步骤s2：根据所述结构参数计算所述原阀门满足密封要求所需的最小关闭力矩，以及所述原阀门的原阀杆最大承载力矩；步骤s3：若所述原额定输出力矩小于所述最小关闭力矩，则进入步骤s5；

67、步骤s4：若所述原阀杆最大承载力矩小于所述原堵转力矩，则进入步骤s5；步骤s5：根据所述最小关闭力矩和当前的阀杆最大承载力矩，从电动头数据库中筛选满足条件的候选电动头；步骤s6：若筛选到满足条件的候选电动头，则进入步骤s8；若未筛选到，则进入步骤s7；步骤s7：生成阀杆强化方案，并计算强化后的阀杆最大承载力矩，将所述强化后的阀杆最大承载力矩作为当前的阀杆最大承载力矩，返回步骤s5；步骤s8：输出所述候选电动头的型号或所述阀杆强化方案，作为所述阀门的改进设计方案。本技术通过密封力矩与阀杆承载能力的双重校核，在原设计不满足要求时迭代优化阀杆并匹配电动头，直至获得满足密封与强度要求的改进方案，实现了在保证密封可靠性的同时避免阀杆弯曲失效，提升了核级电动楔形闸阀的安全性和改进效率。