水利防水阀门密封结构非均匀承压极限检测

上官林建^1，2，孙中一²

（1.华北水利水电大学，河南 郑州 450000；

2.华北水利水电大学 机械学院，河南 郑州 450000）

摘要：由于水体流动具有较强的动态性，当前与前一时刻的流场信息会发生较大变化，因此防水阀门的承压波动性较为明显，其极限的检测具有较大难度。为此，提出一种水利防水阀门密封结构非均匀承压极限检测方法。根据水体当前与前一时刻的流场信息，判定承压波动程度，自适应生成密封结构的非均匀承压网格。基于此，基于光纤光栅传感技术设计双梁菱形检测基体，优化方法的抗温度干扰性能。通过卡扣连接成紧贴阀门密封结构的承压极限检测模型，检测非均匀网格对应的承压极限。实验结果验证了所提方法的能够成功、稳定地检测出各网格的承压极限值，最大误差绝对值不到0.2MPa。

关键词：水利工程；防水阀门；密封结构；非均匀承载压力；承压极限检测；

中图分类号：TP216     文献标识码：A

Non uniform pressure limit detection of sealing structure for water conservancy waterproof valves

SHANGGUAN Lin-jian^1,2，SUN Zhong-yi²

(1.North China University of Water Resources and Electric Power,Henan Zhengzhou 450000,China;

2.College of Mechanical Engineering,North China University of Water Resources and Electric Power,Henan Zhengzhou 450000,China)

Abstract:Due to the strong dynamic nature of water flow, the current and previous flow field information will change greatly, so the pressure fluctuation of the waterproof valve is more obvious, and its limit detection is more difficult. Therefore, a method for testing the non-uniform pressure limit of sealing structure of water conservancy waterproof valve is proposed. According to the current and previous flow field information of the water body, the degree of pressure fluctuation is determined, and the non-uniform pressure grid of the sealing structure is generated adaptively. Based on this, the two-beam rhomboid detection matrix is designed based on fiber grating sensing technology to optimize the temperature interference resistance performance of the method. The pressure limit detection model which is close to the valve seal structure is connected by the buckle to detect the pressure limit corresponding to the non-uniform mesh. The experimental results verify that the proposed method can successfully and stably detect the pressure limits of each grid, and the maximum absolute error is less than 0.2MPa.

Keywords: Water conservancy engineering; Waterproof valve; Sealing structure; Uneven bearing pressure; Pressure limit detection;

1引言

水利阀门是水利工程高压力流体唯一的控制结构，既能接通、截止流体，也能按需调节流量，控制压力^[1]，凭借超压等保护作用，在工艺系统中得以大量应用，为水利工程设施与设备的安全提供保障，与此同时，对其密封结构性能的要求也是越来越高^[2-3]。一旦密封结构无法承受内部或外部给予的介质压力，阀门密封性就会失效，造成水、气、油等介质泄漏，引发不可预估的安全事故。且密封结构受介质流场影响，承压会出现非均匀特征。

在此背景下，阀门密封性问题引起了相关领域的高度重视，诸多学者纷纷对此展开研究。尉坤等人^[4]完成了汽轮机阀门快关动态冲击载有限元分析，根据能量守恒原理，应用赫兹应力计算方法求解阀门快关的极限关闭速度，并且通过实验验证本方法的正确性。但是，在实际阀门承压问题中，阀门结构通常会引起接触面形状、刚度和弹性模量的变化，这可能导致赫兹应力计算的结果存在较大误差。此外，赫兹应力计算方法只能给出接触面上的应力分布，对于阀门其他部分的应力分布无法准确预测；王彪等人^[5]以高水头船闸为研究对象，数值模拟阀门开启过程的非恒定水动力特性，研究不同闸室流量以及阀门井水位下阀门承压的变化规律和影响因素。但是，数值模拟需要考虑多个复杂的物理现象，涉及流体运动、扩散、湍流等多个方面，对计算资源和模型的精度要求较高。因此，以上两种方法均无法得以广泛应用。

本研究针对水利防水阀门密封结构承载压力的非均匀特性，提出一种承压极限检测方法。根据承压波动程度选取非均匀网格更新手段，能够确保网格自适应更新的准确性；将菱形作为检测模型基体的基本结构，有助于凭借其压力-拉力转换能力，更有效地完成承压极限检测。

2压力网格建立

为模拟非均匀承压条件下的压力分布，建立压力网格。非均匀承压检测中，压力会在密封结构表面产生各个方向上的不均匀分布，并影响到密封结构的性能。建立压力网格可以将整个检测区域划分为许多小区域，并对每个区域的压力进行计算和分析。通过网格的划分，可以更精确地捕捉到局部压力差异的变化，并提供可视化的结果。这有助于评估阀门密封结构在不同位置和方向上的承压情况，以确定可能的弱点或漏点。

在水体压强^[6-7]的共同作用下，防水阀门的密封结构存在显著的非均匀承压特征。以此为基本依据，以特征线法^[8]为基本手段，设计密封结构网格化方法，令结构按照所承压力自适应生成网格。

假设时间步长是，在特征线法中，其与网格长度的限制条件是：

            （1）

其中，代表水平方向上的水流速度向量分量，代表压力波动传播的声速。

若第与第时间步的水平方向流速向量分量分别是、，则利用下列公式取得第时间步承压状态下的密封结构非均匀网格长度：

          （2）

将水体当前与前一时刻的流场信息作为网格实时更新方法的选取依据，确保网格能够随承压的波动变化而准确地自适应调整。

划分密封结构表面为多个计算单元，已知单个计算单元中的节点数量是，确定网格长度的节点与节点在与时的参数值各是、和、，则判定该计算域里此节点处承压波动程度的指数值由下式解得：

     （3）

为使判定结果更加准确，结合节点与邻近两节点的夹角余弦值做判定检验。假设节点属于计算单元，邻近两节点分别属于计算单元、，各单元在时的参数值分别是、、，则通过下列公式计算时由三个节点所夹角度的余弦值：

  （4）

若余弦值不足0.05，则认为与节点邻近的两节点中至少有一个节点产生突变。根据公式（3）对潜在突变节点的计算结果，确定产生突变的具体节点，即较大指数值的对应节点。

当承压波动程度较大时，在突变的节点处插入节点，利用分段线性插值多项式方法^[9]，更新网格，以确保分段线段插值准确。假设各节点所属计算单元在时的参数值是、、，若突变节点属于单元，则在位于单元内的节点处插入节点，通过下列公式实现网格更新：

  （5）

当承压波动程度较小时，为保证网格准确地实现非均匀自适应更新，基于高精度紧致差分方法^[10]，根据公式（5）设计出非均匀网格插值法。设定由节点、、构成网格的间距各为、，则三者参数值与网格长度的关系如下，即单元域各点处的水体流场参数值，即承压变量：

           （6）

结合正推和逆推求解法，追踪域内突变节点位移，更新下一时间步的网格承压波动信息。基于突变节点及插值点，利用二阶特征线法判定节点方位。若节点与的切线交于点8，则两点特征线的切线斜率正推求解结果为：

                    （7）

                （8）

节点与插值点可看作同一节点，故通过逆推求解法得到承压波动当前所抵达的方位，即节点的更新结果：

          （9）

节点不断迭代循环更新的结果即为阀门密封结构上当前承载压力的非均匀网格。

3非均匀承压极限检测

3.1阀门密封校核计算

密封结构在非均匀承压情况下可能会产生不均匀的应力和变形，这可能会导致局部应力集中，从而影响密封结构的强度和稳定性。通过阀门密封校核计算，可以对密封结构进行强度分析和稳定性评估，以确定其能否承受非均匀承压的极限。

除非均匀网格结构依据外，还需阀门密封结构的性能指数作为极限检测的数据依据，故展开阀门密封校核计算。各性能指数的计算方法如下：

（1）密封力。假设水压给予阀门底座和密封结构表面间隙的推力与反介质流向推力各是、，预紧结构给予阀座的摩擦力与推力各是、。根据密封比压与密封力的关系^[11-12]，利用下式解得密封结构的密封力：

            （10）

（2）最小比压。该指标是密封结构所需的最小比压力^[13]。基于经验公式^[14]建立比压的计算公式，减小与实际计算的误差。假设水体与密封结构表面材料的特征因子分别是、，水压是，结构面宽是，则必须比压计算公式为：

                   （11）

（3）设计比压。该指标是结构表面单位面积的承压值^[15]，且与密封材料承压极限存在关系：

         （12）

其中，代表阀门主密封副的半径，代表水体流向与结构表面法向夹角。

3.2抗温度干扰的承压极限检测方法

光纤光栅传感技术是一种高精度、实时性好的传感技术。通过在菱形检测基体上布置光纤光栅传感器，可以实时测量菱形结构中的应力和变形信息。光纤光栅传感器具有高度灵敏的应变响应能力，能够准确测量菱形结构中的拉力分布，并将数据传输至检测设备进行实时分析和监测。本节首先以具有转换压力与拉力能力的菱形结构为检测模型的基本形式，设计出基于光纤光栅传感技术的双梁菱形检测基体，如图1所示。

图1 承压极限检测基体

为使检测基体紧密贴合阀门密封结构，并与之在水压作用下一同产生非均匀形变，将基体通过卡扣拼接、组合，构成承压极限检测模型，装于结构外壁。利用环氧树脂胶^[16]，在基体背面的温度补偿梁上与正面的应变梁上粘贴光纤光栅，实时感知结构表面非均匀网格的压力承载情况。根据光纤光栅中心波长受水压影响而产生的变量，实现水利防水阀门密封结构的非均匀承压极限检测。

在密封材料承压极限线性耦合作用下，阀门密封结构表面的应变会令基体扣臂生成载荷，并传输至应变梁。已知应力耦合因子为，则扣臂载荷生成式为：

                 （13）

若扣臂宽为、厚为，则其受到的拉力是：

                （14）

为弥补菱形边与扣臂的应变传输损失，根据菱形基体钢材特征进行应变补偿^[17]。设定补偿因子为，菱形两对角线分别长、，且，则应变梁的承压值为：

         （15）

已知基体厚度同扣臂，应变梁宽为、厚为，由此推导出梁的应变值：

              （16）

上式中，代表应变梁弹性模量，代表修正因子，用于免疫基体性状、安装等因素对菱形状放大化应变的影响。

根据光纤光栅应变测量方法^[18]中与光纤光栅中心波长的线性关系，联立波长的变量与应变的关系描述式：

                   （17）

其中，代表两者的线性应变耦合因子。

结合以上公式与密封结构性能指数、、，构建出基体实现阀门密封结构非均匀承压极限检测的数学模型。如下所示：

    （18）

4实验设计

4.1实验参数设置

选取某小型水利工程使用的防水阀门，根据基体两端载荷施加下应变梁的应变灵敏度变化，设置菱形基体各部位的最优尺寸，如表1所示。

表1 菱形基体参数

为验证模型对阀门承载水压极限的检测能力，及模型对温度的补偿能力，搭建两个实验环境。将光纤光栅粘贴于梁上，经光学接头接入光纤光栅解调仪^[19]。在阀门密封结构外壁上逐个连接若干基体，组成检测模型。根据光栅反射光谱变化与中心波长数据，检验检测模型的可实现性与合理性。注意粘贴操作质量，确保其不影响检测结果。

4.2承压极限检测误差测试

在本次实验中，令温度不变，从阀门密封结构的非均匀压力承载网格化处理结果中任选十个位置，得到各位置的承压极限检测值与仿真值，如图2所示。

图2 承压极限检测精准程度测试

由此可见，该模型基于密封结构的非均匀网格化结果与性能指数检测依据，结合双梁上光纤光栅传感技术的支持与非均匀承压极限检测数学模型的实现，能够有效且相对准确地检测出阀门密封结构上非均匀的承压极限。

为进一步验证研究方法的检测精度，通过误差指标分析阀门密封结构上所有非均匀网格的承压极限检测值与仿真值。其中部分网格的两种承压极限值误差如图3所示。

图3 承压极限检测误差测试结果

由此可见，承压极限检测值与仿真值的最大误差不超过±0.2MPa。该模型以自适应生成的非均匀承压网格为根本，借助菱形基体的压力与拉力转换能力，通过应变梁的应变准确传输，不仅能够成功检测出阀门密封结构上所有非均匀网格的承压极限，而且与模拟值高度拟合。同时，模型多次检测所得的承压极限结果始终如一，表现出优越的稳定性。

4.3抗温度干扰性能验证

选取一个菱形检测基体，其温度补偿光纤光栅中心波长是950nm。设置环境温度从15℃开始每5分钟增加2℃，得到光纤光栅中心波长的变化曲线，如图4（a）所示。由此推演出图4（b）中承压极限检测结果与温度的关系。

（a）中心波长

（b）温度变化下压力检测结果

图4 温度补偿能力示意图

由此可见，该光纤光栅中心波长变量极小，最大值仅0.0006nm；方法检测结果误差不足0.5MPa，仍具有较高精度。两组实验数据足以说明，方法凭借基体的双梁设计理念，使基体背面的温度补偿梁充分发挥出补偿作用，令其检测精度并不会受到温度变化的影响，对温度变化具有良好的抗干扰能力。

5结论

面向水利防水阀门的密封结构，提出非均匀承压极限检测方法，实验结果表明了研究方法具有理想的应用性能。该研究方法具有重要的研究前景和意义，可以提高阀门密封结构的安全性和可靠性，提供准确可靠的承压极限检测数据，并在实际应用中降低成本和提高效率。这将为阀门密封结构的设计和优化提供有力的支持，推动水利防水技术的发展和应用。

参考文献

[1] 袁林,李雲龙,寇自洋.长距离重力流输水工程首末两端阀门关阀方案研究[J].水电能源科学, 2022, 40(06):118-121+109.

[2] 舒崚峰,何中伟,郭立祺,等.抽水蓄能电站压水气系统压水工况中阀门低温问题的数值模拟研究[J].中国农村水利水电, 2022(04):201-208+214.

[3] 于龙杰,钱锦远,金志江.阀门密封性能的研究进展[J].润滑与密封, 2021, 46(09):134-142+153.

[4] 尉坤,李国新,郑宏伟,等.汽轮机阀门快关动态冲击载荷研究[J].汽轮机技术,2021,63(02):115-116+122.

[5] 王彪,王晓刚,安建峰,等.船闸末级闸首超长输水廊道泄水水力特性数值模拟[J].水利水运工程学报,2021(04):92-98.

[6] 陈齐垚,郭飞,余武江,等.基于ABAQUS的超低温阀门阀芯偏转密封失效分析[J].清华大学学报(自然科学版), 2022, 62(12):1996-2002.

[7] 桂鑫,李政颖,王洪海,等.基于大规模光栅阵列光纤的分布式传感技术及应用综述[J].应用科学学报, 2021, 39(05):747-776.

[8] 翟江,周孝信,李亚楼,等.综合能源系统天然气管道压力和流量的控制方案研究[J].中国电机工程学报, 2022, 42(11):3911-3924.

[9] 高兴华,李宏,刘洋.非线性分数阶常微分方程的分段线性插值多项式方法[J].应用数学和力学, 2021, 42(05):531-540.

[10] 杨苗苗,葛永斌.求解对流扩散反应方程的一种高精度紧致差分方法[J].四川师范大学学报(自然科学版), 2021, 44(04):470-478.

[11] 姜峰,杨鼎瑞,张延斌.固定球阀主密封副结构尺寸对密封性能的影响[J].流体机械, 2021, 49(08):87-93+99.

[12] 杨国来,孟德虎,叶建中,等.基于ANSYS的大口径金属硬密封球阀泄漏分析[J].液压与气动, 2023, 47(03):146-152.

[13] 李华祖,韩龙生,杜雨,等.超低温上装式V型控制阀结构及密封比压计算[J].化工设备与管道, 2021, 58(04):80-84.

[14] 周慧,朱建鲁,李玉星,等.纯氢与掺氢天然气节流特性及节流系数预测新方法[J].天然气工业, 2022, 42(04):139-148.

[15] 李东林,闫有朋,王菲菲,等.低流阻双向密封海水液压电磁截止阀设计[J].河南科技大学学报(自然科学版), 2023, 44(04):24-29+5.

[16] 陈婷,张合颖,李尧,等.油酰化改性木质素制备耐湿热型环氧树脂胶黏剂[J].大连工业大学学报, 2022, 41(06):414-419.

[17] 孙建,程锐,王梓,等.基于应变补偿的Fe-Mn-Al-C低密度钢等温压缩物理本构方程[J].锻压技术, 2023, 48(06):214-222.

[18] 王雅莉,徒芸,涂善东,等.基于光纤光栅传感器温度补偿的低温应变测量方法研究[J].仪表技术与传感器, 2023(06):26-33.

[19] 唐才杰,王学锋,卞贺明,等.基于可调谐激光器的光纤光栅高速解调的时延误差补偿方法[J].光电子·激光, 2023, 34(02):174-179.

作者简介：

上官林建（1972-），男（汉族），河南光山人，博士，教授，主要研究方向：工程机械。

孙中一（1999-），男（汉族），江苏徐州人，硕士研究生，主要研究方向：工程机械。