韓雪萍 韓 晟 吳 晗

（江蘇蘇鹽閥門(mén)機(jī)械有限公司，濱海 224500）

管道用全焊接球閥是指啟閉件（球體）由閥桿帶動(dòng)，并繞球閥軸線作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的閥門(mén)。它具有流體阻力小、密封性能好、操作方便以及啟閉迅速等優(yōu)點(diǎn)[1]，廣泛應(yīng)用于石化、天然氣、冶金、電力以及造紙等行業(yè)的輸送系統(tǒng)。在實(shí)際工作過(guò)程中，全焊接球閥會(huì)出現(xiàn)一系列問(wèn)題，如進(jìn)口端閥座密封面變形、球體變形等。這些問(wèn)題的出現(xiàn)會(huì)加劇球閥的破壞，降低其使用壽命，因此對(duì)其進(jìn)行靜力學(xué)分析是非常有必要的。

近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)輔助數(shù)值模擬計(jì)算的發(fā)展，計(jì)算機(jī)輔助數(shù)值模擬計(jì)算分析已成為了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)與運(yùn)行特性研究的重要手段[2]。本文以某公司生產(chǎn)的Q967X-900LB-00型全焊接球閥為例，運(yùn)用計(jì)算機(jī)輔助模擬計(jì)算的方法，對(duì)該類(lèi)產(chǎn)品中的主要零部件進(jìn)行有限元分析，以期提高該類(lèi)產(chǎn)品的技術(shù)性能及使用壽命。

1 球閥的主要性能參數(shù)

球閥的性能參數(shù)主要包括設(shè)計(jì)壓力、強(qiáng)度試驗(yàn)壓強(qiáng)、密封試驗(yàn)壓強(qiáng)、工作介質(zhì)溫度以及適用介質(zhì)等，具體參數(shù)見(jiàn)表1，球閥模型見(jiàn)圖1。

表1 Q967X-900LB-00型全焊接球閥的主要性能參數(shù)

圖1 球閥三維模型

2 模型的三維建模及數(shù)值模擬

2.1 閥體結(jié)構(gòu)三維建模

全焊接閥體結(jié)構(gòu)分筒狀結(jié)構(gòu)和球狀結(jié)構(gòu)兩種。其中：筒狀結(jié)構(gòu)是雙焊縫結(jié)構(gòu)，焊接過(guò)程熱量輸入大，殘余應(yīng)力復(fù)雜，變形量大；球狀結(jié)構(gòu)則采用兩個(gè)球狀組合焊接而成，在閥體中間采用單焊縫焊接，故其熱量輸入較少，變形量較小。同時(shí)，球狀結(jié)構(gòu)的閥體與筒狀結(jié)構(gòu)的閥體相比，質(zhì)量更輕，成本更低。因此，閥體結(jié)構(gòu)選擇球狀，閥體材料選擇A350 LF2，其許用應(yīng)力為166 MPa，其三維模型如圖2所示。

圖2 閥體三維模型

劃分閥體模型時(shí)，采用自適應(yīng)網(wǎng)格劃分技術(shù)對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分。由于計(jì)算精度依賴(lài)于網(wǎng)格劃分的數(shù)量，則場(chǎng)量變化越劇烈的區(qū)域網(wǎng)格劃分應(yīng)越精細(xì)[3]。因此，要對(duì)邊角及曲面過(guò)渡區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化處理。劃分后的模型有525 050個(gè)節(jié)點(diǎn)，336 651個(gè)單元。網(wǎng)格模型如圖3所示。

圖3 閥體網(wǎng)格模型分布圖

2.2 閥體結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬計(jì)算

當(dāng)閥門(mén)處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，閥體中腔和進(jìn)口流道承受的壓力最大，在該工況下的閥體以及袖管所承受的壓力最大，此時(shí)也是閥體內(nèi)部的最危險(xiǎn)狀態(tài)[4-5]。因此，應(yīng)在關(guān)閉狀態(tài)下對(duì)閥體進(jìn)行有限元分析。

依據(jù)實(shí)際情況約束處于關(guān)閉狀態(tài)下的閥門(mén)并進(jìn)行載荷加載。具體的設(shè)置情況為：第一，閥體進(jìn)口設(shè)置為固定約束；第二，閥體出口設(shè)置為徑向位移約束；第三，閥體進(jìn)口段內(nèi)壁面和及閥體中腔壁面的工作壓強(qiáng)設(shè)置為15.3 MPa；第四，閥體中腔右側(cè)支撐板所接觸的環(huán)形面處施加介質(zhì)推力28 275 N；第五，殼體中腔與四開(kāi)環(huán)上表面接觸面上的壓強(qiáng)設(shè)置為18.9 MPa。計(jì)算過(guò)程中，要記錄閥體的應(yīng)力及變形情況，計(jì)算結(jié)束后，得到的閥體模型應(yīng)力分布云圖如圖4所示，閥體變形分布云圖如圖5所示。

圖4 閥體外壁應(yīng)力分布圖

圖5 閥體外壁變形分布云圖

通過(guò)應(yīng)力分布云圖可以看出，在閥體處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，閥體最大應(yīng)力主要集中在進(jìn)口段區(qū)域，最大應(yīng)力達(dá)到了388.51 MPa，因此該區(qū)域是極易出現(xiàn)應(yīng)力破壞的區(qū)域。同時(shí)，進(jìn)口段區(qū)域以外的其他區(qū)域，應(yīng)力值都低于130 MPa，低于許用應(yīng)力166 MPa。從圖5可以看出，閥體最大變形同樣出現(xiàn)在進(jìn)口段中部區(qū)域，最大變形量達(dá)到了1.121 8 mm，即該區(qū)域造成了較大破壞。

2.3 球體結(jié)構(gòu)三維建模

球體支撐分為上下閥桿支撐和樞軸支撐兩種方式。前者是將球體車(chē)削成內(nèi)孔，其上下位置由兩個(gè)支撐軸支撐在閥體上，同時(shí)上支撐軸又是傳動(dòng)扭矩的閥桿，因此其處于復(fù)合的受力狀態(tài)；后者的支撐結(jié)構(gòu)軸頸粗而短，所以閥的阻力矩較大。綜合考慮，選擇樞軸式支撐結(jié)構(gòu)，球體材料為A350 LF2，其許用應(yīng)力為166 MPa，球體三維模型結(jié)構(gòu)如圖6所示。為方便施加載荷及約束，對(duì)三維模型進(jìn)行了分割。對(duì)實(shí)體三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，采用自動(dòng)劃分網(wǎng)格技術(shù)，并對(duì)邊角及曲面過(guò)渡處進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，以控制網(wǎng)格質(zhì)量。網(wǎng)格模型如圖7所示，其中網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)有414 596個(gè)，單元數(shù)有289 807個(gè)。

圖6 球體三維模型

圖7 球體網(wǎng)格模型

2.4 球體結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬計(jì)算

在閥門(mén)運(yùn)行過(guò)程中，閥門(mén)關(guān)閉瞬間，球體進(jìn)口端密封面會(huì)承受較大的密封比壓，出口端密封端則會(huì)受到彈簧的彈力作用。同時(shí)，球體還會(huì)承受密封表面的摩擦扭矩和軸承的摩擦轉(zhuǎn)矩等。因此，此時(shí)的球體處于受力最大的時(shí)刻，在此時(shí)刻下對(duì)其進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果較為準(zhǔn)確。

依據(jù)實(shí)際情況對(duì)處于關(guān)閉瞬間時(shí)的閥門(mén)進(jìn)行約束以及載荷加載，具體的設(shè)置情況為：球體底部施加固定載荷；球體頂部施加Z方向的位移約束；球體進(jìn)口端密封面施加密封載荷0.55 MPa；出口密封面則設(shè)置為受到彈簧彈力4 000 N；球體外壁與介質(zhì)接觸的區(qū)域受到的工作壓強(qiáng)設(shè)置為15.3 MPa；樞軸支撐中的方形槽受到閥桿的轉(zhuǎn)矩為9 800 N·mm。

計(jì)算后的應(yīng)力分布云圖如圖8所示?？梢钥闯?，與閥體的應(yīng)力分布相比，球體的應(yīng)力分布比較均勻，沒(méi)有出現(xiàn)局部應(yīng)力突變的現(xiàn)象，最大應(yīng)力為165.8 MPa，低于許用應(yīng)力166 MPa。球體的變形分布云圖如圖9所示。可以看出，進(jìn)口端出現(xiàn)了較大的變形，最大變形量達(dá)到了0.62 mm。出口端由于受到彈簧彈力的原因，出現(xiàn)了向內(nèi)變形的現(xiàn)象，其變形量同樣達(dá)到了0.53 mm。相較于這兩個(gè)區(qū)域，其他區(qū)域的變形極小，可以忽略不計(jì)。

圖8 球體應(yīng)力分布云圖

圖9 球體變形分布云圖

2.5 閥座結(jié)構(gòu)三維建模

閥座采用組合密封結(jié)構(gòu)以阻擋固體顆粒的進(jìn)入，同時(shí)閥座可以在閥門(mén)處于開(kāi)啟或關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，實(shí)現(xiàn)上游端閥座和下游端閥座同時(shí)切斷兩邊介質(zhì)的功能。閥座的材料同樣采用A350 LF2，其許用應(yīng)力為166 MPa。對(duì)其進(jìn)行三維建模，如圖10所示。

圖10 閥座三維模型

對(duì)實(shí)體三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，采用自動(dòng)劃分網(wǎng)格技術(shù)，并對(duì)邊角及曲面過(guò)渡處進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化處理，以控制網(wǎng)格質(zhì)量。網(wǎng)格模型如圖11所示，其中網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)有68 551個(gè)，單元數(shù)有43 274個(gè)。

圖11 閥座網(wǎng)格模型

2.6 閥座結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬計(jì)算

當(dāng)閥門(mén)處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，由于進(jìn)口端閥座與密封面接觸會(huì)承受密封比壓，與O型圈及密封圈接觸部位的表面則會(huì)承受工作壓力，此時(shí)閥座承受的力最大，因此本文將對(duì)這一時(shí)刻的閥座進(jìn)行有限元分析。

依據(jù)實(shí)際情況對(duì)處于關(guān)閉狀態(tài)下的閥座進(jìn)行約束以及載荷加載，具體的設(shè)置情況如下：在閥座的進(jìn)口端施加固定約束；把和介質(zhì)相接觸的面的工作壓強(qiáng)設(shè)置為15.3 MPa；密封環(huán)處施加密封比壓4.8 MPa。

計(jì)算后的應(yīng)力分布云圖如圖12所示。可以看出，閥座最大應(yīng)力值出現(xiàn)在密封環(huán)形槽附近，其值達(dá)到了127.82 MPa，低于材料的許用應(yīng)力166 MPa。閥座變形分布云圖如圖13所示?？梢钥闯?，從閥座的小端到大端，變形量呈現(xiàn)出依次遞增的現(xiàn)象，閥座的大端出現(xiàn)了最大變形量，其值達(dá)到了0.114 4 mm，密封圈附近的變形量為0.03 mm左右。

圖12 閥座應(yīng)力分布云圖

圖13 變形分布云圖

3 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)閥體、球體、閥座進(jìn)行有限元分析，得到了在最危險(xiǎn)工況下各自的應(yīng)力和變形分布云圖，并得出以下結(jié)論：

（1）在閥門(mén)處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，閥體進(jìn)口端區(qū)域產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，因此在實(shí)際使用過(guò)程中要特別關(guān)注這些區(qū)域，防止應(yīng)力破壞；

（2）球體和閥座的分析結(jié)果顯示其應(yīng)力范圍都低于許用應(yīng)力，且變形量也較小，能夠滿足實(shí)際工作要求。