劉 惺，梅 靜，陳 麗，吳 勝

(四川化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機械工程學(xué)院，瀘州 646000)

在石油、化工和長輸管線等行業(yè)中，閥門是必不可少的控件，其中最常見的是球閥，它在管路中主要起到切斷、分配及改變流向的作用[1]。對于操作壓差大、開關(guān)頻繁、要求閥門長期保持良好的密封等工況下，普通球閥無法滿足使用要求。軌道球閥因具有啟閉無摩擦、單閥座設(shè)計、低啟閉扭矩及密封面自清結(jié)構(gòu)等特點，彌補了普通球閥的不足，實現(xiàn)了快速發(fā)展。但由于軌道球閥一般都用于工況比較特殊的場合，因此要求其結(jié)構(gòu)特性及密封性能具有更高的可靠性。目前，針對球閥密封特性的研究較多，還有部分學(xué)者對軌道球閥閥桿進(jìn)行了失效分析及結(jié)構(gòu)改進(jìn)[2-3]，但是對于軌道球閥在整體裝配后的密封特性研究相對較少。

GQ47H-DN370型軌道球閥在工作壓力15 MPa下，閥座由于長期承受壓力，導(dǎo)致閥座密封性能大大降低。針對這一問題，利用Ansys Workbench分析軟件，結(jié)合接觸有限元的理論知識，分析閥座受力和變形特性并判定軌道球閥的密封特性。

1 接觸有限元與密封特性評價

1.1 接觸有限元

接觸有限元可從物理與數(shù)值分析角度進(jìn)行觀測。從物理角度來看，兩個物體相互接觸時，由于相互作用而產(chǎn)生接觸壓力，因此接觸面間將產(chǎn)生摩擦力，阻礙了物體做切向運動。從數(shù)值分析角度看，進(jìn)行接觸分析時，其邊界條件呈現(xiàn)出非線性關(guān)系，當(dāng)兩接觸面相互接觸時，將生成接觸約束，若兩接觸面產(chǎn)生分離，約束即失效[4]。高度非線性的邊界條件導(dǎo)致了接觸問題的復(fù)雜性，選用增強拉格郎日(Augmented Lagrange)的接觸算法進(jìn)行分析[5]。Ansys Workbench使用增強型Lagrange法或罰函數(shù)法時，都需使用法向接觸剛度(FKN)，產(chǎn)生一個小的穿透量(xpenetration>0)，以保證數(shù)值平衡，如圖1所示。接觸“彈簧”產(chǎn)生一個小的變形xp，法向接觸剛度為kn，平衡方程如下：

圖1 增強型Lagrange法向接觸剛度Fig.1 Enhanced Lagrange normal contact stiffness

Fnormal=knormalxpenetration

(1)

接觸單元不但可以傳遞法向壓力，還可傳遞切向摩擦力。接觸單元使用切向接觸剛度(FKT)來確保切線方向的接觸協(xié)調(diào)，如圖2所示。ANSYS根據(jù)模型的幾何特征、材料和用戶定義的法向接觸剛度(FKN)來計算接觸剛度，切向接觸剛度kt，平衡方程如下：

圖2 增強型Lagrange切向接觸剛度Fig.2 Enhanced Lagrange tangential contact stiffness

Ftangential=ktangenialxsliding

(2)

1.2 密封性能評價模型

在壓力容器的設(shè)計中，其密封特性是滿足設(shè)計要求的重要評價指標(biāo)之一，而評價壓力容器密封特性的重要參數(shù)是密封比壓。閥門是特殊的壓力容器，其相關(guān)設(shè)計也需要滿足壓力容器密封設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，因此，判定閥門密封性能是否可靠，需滿足以下條件[6]：

qb

(3)

其中：qb表示軌道球閥密封的必需比壓，單位為MPa；q表示軌道球閥密封的實際比壓，單位為MPa；[q]表示軌道球閥密封的許用比壓，單位為MPa。

軌道球閥密封的必需比壓qb的計算，根據(jù)閥門設(shè)計手冊查得其公式如下[6]：

(4)

其中：PN為軌道球閥所承受的公稱壓力，單位為MPa；bm為軌道球閥閥座與球體接觸的密封面寬度，單位為mm。

2 軌道球閥的結(jié)構(gòu)與材料屬性

2.1 軌道球閥的結(jié)構(gòu)

GQ47H-DN370型軌道球閥相較傳統(tǒng)的球閥，具有可靠的密封、耐沖刷與腐蝕等特性，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。工作原理是：閥門開啟過程是利用閥桿斜面與導(dǎo)向槽的幾何特性，實現(xiàn)球閥偏離閥座、閥口的不斷增大及閥口全開等動作；閥門關(guān)閉時，利用閥桿斜面產(chǎn)生水平分力，使球閥與出口閥座緊密接觸，即可產(chǎn)生所需的密封比壓。從結(jié)構(gòu)及工作原理可以看出，軌道球閥具有以下幾個特點：單閥座設(shè)計與強制密封，可保證閥門具備雙向密封功能；浮動閥芯、機械提升式閥桿使得球閥開關(guān)無磨損，低扭矩操作；閥桿下端的斜面提供機械楔緊力，保證持續(xù)的緊密封；硬性閥桿導(dǎo)向槽與導(dǎo)銷控制閥桿的升降和轉(zhuǎn)動，達(dá)到控制球體和實現(xiàn)無摩擦啟閉。此外，軌道球閥閥體傾離出口閥座后，閥內(nèi)流體會將閥腔內(nèi)雜質(zhì)沖洗干凈，實現(xiàn)閥內(nèi)自清潔作用并減小磨損[7]。

1-閥桿 2-導(dǎo)向銷 3-密封壓蓋 4-閥蓋 5-密封件6-閥蓋襯套 7-吊耳 8-滾柱銷釘 9-閥芯 10-閥座 11-閥體 12-法蘭圖3 軌道球閥結(jié)構(gòu)簡圖Fig.3 Structure diagram of rail ball valve

2.2 軌道球閥的材料屬性

GQ47H-DN370型軌道球閥工作壓力為15 MPa，根據(jù)閥門常用材料與設(shè)計手冊，軌道球閥閥體選用Ni-Cu-Mo低合金鋼，其閥座、閥芯分別選用316不銹鋼和1Cr12WMoV不銹鋼，其材料機械性能如表1所示[8]。

表1 材料機械性能Tab.1 Mechanical properties of materials

3 有限元分析的前處理

3.1 建立有限元模型與邊界條件

根據(jù)軌道球閥結(jié)構(gòu)上的幾何對稱性、載荷對稱性等特點，考慮到計算機硬件條件，軌道球閥的有限元分析采用1/2模型，保證計算精度的同時對模型進(jìn)行了相應(yīng)特征的簡化。根據(jù)GQ47H-DN370型軌道球閥受力特點，閥門進(jìn)出口端均增加7～10倍管口直徑長的管道。運用Ansys Workbench對其進(jìn)行有限元模型的建立與網(wǎng)格劃分等前處理，獲得軌道球閥數(shù)學(xué)模型如圖4(a)所示。網(wǎng)格單元共計347 489個，節(jié)點552 172個，網(wǎng)格平均質(zhì)量為0.854，如圖4(b)所示。根據(jù)GQ47H-DN370型軌道球閥的工作壓力，對其閥腔、管內(nèi)等承壓面施加15 MPa的載荷，sym面施加對稱載荷，閥體下端面、進(jìn)口端采用displacement位移約束，如圖5所示。

圖4 軌道球閥網(wǎng)格劃分與網(wǎng)格質(zhì)量Fig.4 Grid generation and grid quality of rail ball valve

圖5 軌道球閥邊界條件的施加Fig.5 Application of boundary conditions for rail ball valve

3.2 初始接觸狀態(tài)的調(diào)整

在靜力學(xué)分析中，初始接觸的好壞直接決定結(jié)果是否收斂和是否滿足工程使用要求。如果兩接觸面存在間隙，會導(dǎo)致剛體位移而增加計算的收斂難度；相反，當(dāng)兩接觸面存在穿透，則會造成計算結(jié)果偏大?？梢?，計算接觸時必須對兩接觸面進(jìn)行初始狀態(tài)的判斷及相應(yīng)的調(diào)整。本次三維模型的建立是通過第三方軟件SolidWorks進(jìn)行的，由于存在數(shù)據(jù)的丟失，需要進(jìn)行初始接觸的調(diào)整。采用的接觸調(diào)整方式為Adjust to Touch，利用Workbench中Contact tool工具進(jìn)行檢測，閥座與閥體的間隙量與滲透量分別如圖6所示。從圖6中可以看到，閥座與閥體兩接觸面間的間歇量基本為0，滲透量最大為2.6681x1014，滿足計算要求[9]。

圖6 閥座與閥體的間隙量與滲透量Fig.6 Clearance and permeability between valve seat and valve body

4 軌道球閥的結(jié)構(gòu)與密封特性評定

4.1 仿真結(jié)果

通過對軌道球閥數(shù)學(xué)模型的分析求解，得出了該工作狀況下閥座的等效應(yīng)力應(yīng)變云圖，如圖7、8所示。從圖7可以看到，閥座的最大壓力為175.48 MPa。結(jié)合圖8的應(yīng)變云圖可以看出，由于閥芯與閥體之間相互擠壓閥座，導(dǎo)致應(yīng)力堆積的結(jié)果，為了進(jìn)一步判定軌道球閥設(shè)計的合理性，后續(xù)將針對軌道球閥應(yīng)力較大處，按照ASME進(jìn)行安全性評價。

圖7 球閥閥座的等效應(yīng)力云圖Fig.7 Equivalent stress nephogram of ball valve seat

圖8 軌道球閥閥座的等效應(yīng)變云圖Fig.8 Equal effect nephogram of rail ball valve seat

4.2 軌道球閥閥座安全特性評定

由圖7軌道球閥閥座的等效應(yīng)力云圖可知，其最大等效應(yīng)力為175.48 MPa，通過對比材料的許用應(yīng)力187 MPa，判斷該處易發(fā)生屈服失效，因此，需對閥座進(jìn)行進(jìn)一步的強度評定。根據(jù)壓力容器評定標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行以下步驟：通過等效應(yīng)力最大節(jié)點，沿著厚度方向的最短距離設(shè)定路徑；確定應(yīng)力強度最大部位后，一個點在閥座壁內(nèi)，一個點在閥座壁外，分類線通過分類應(yīng)力最大區(qū)[10]，其評定路線1和2如圖7所示。本次閥座安全特性評定采用ASME評價標(biāo)準(zhǔn)，具體參數(shù)如表2所示[11]。提取應(yīng)力評定線上各節(jié)點的應(yīng)力值，并計算不同類型的應(yīng)力類型，得出路徑1、2的S1和S2應(yīng)力變化曲線，如圖9、10所示。根據(jù)表2評定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評定后，其結(jié)果如表3所示。

表2 壓力容器ASME評價標(biāo)準(zhǔn)Tab.2 ASME evaluation standard for pressure vessel

圖9 路徑1的S1和S2Fig.9 S1 and S2 of path 1

圖10 路徑2的S1和S2Fig.10 S1 and S2 of path 2

表3 軌道球閥閥座應(yīng)力強度評定結(jié)果Tab.3 Evaluation results of stress strength of rail ball valve seat

4.3 軌道球閥密封特性評定

確定軌道球閥出口閥座變形特點后，對其進(jìn)行密封特性的分析。利用接觸有限元數(shù)值模擬，得到軌道球閥出口閥座與閥芯的接觸應(yīng)力，如圖11所示，其最大密封比壓為136.44 MPa。根據(jù)式(3)提出的密封性評價模型、式(4)計算得到的必需比壓1.76 MPa及閥座許用比壓170 MPa，軌道球閥的密封性能評價結(jié)果如表4所示。

圖11 密封面接觸應(yīng)力云圖Fig.11 Contact stress nephogram of sealing surface

表4 密封性能評價Tab.4 Sealing performance evaluation

綜上所述，GQ47H-DN370型軌道球閥在該工況條件下，能夠滿足密封要求，但是最大實際比壓136.21 MPa，可見閥座所承受的壓力很大，閥座容易被壓潰。建議合理改進(jìn)閥座結(jié)構(gòu)，如增加其閥座厚度等。閥座的外圓表面由于外露承受了來自水的壓力，導(dǎo)致閥座外圓面與閥體內(nèi)孔面之間接觸壓力較小，建議適當(dāng)增大兩者間的過盈量。

4.4 密封試驗

某閥門廠為了得到GQ47H-DN370型軌道球閥在該工況條件下的密封特性，通過樣機試制與試驗，按GB13927、GB26480、API 6D壓力試驗要求中最嚴(yán)格部分[12]，進(jìn)行了空載動作、殼體強度、高壓密封等試驗。通過左端閥體注水→分級加壓(13.2 MPa)→保壓(保壓時間按API 6D的規(guī)定)→密封性能判定等步驟，得到高壓、低壓氣密性試驗結(jié)果如表5所示。

表5 GQ47H-DN370型軌道球閥密封試驗參數(shù)與結(jié)果Tab.5 Sealing test parameters and results of GQ47H-DN370 rail ball valve

結(jié)果表明：該GQ47H-DN370型軌道球閥的出口閥座完好無損，未出現(xiàn)可見的泄露，密封性可靠。

5 結(jié)論

利用接觸有限元的相關(guān)知識進(jìn)行計算，對閥座與閥體之間的接觸形式進(jìn)行了處理，在提交計算前對其過盈量與間隙量進(jìn)行了相應(yīng)的調(diào)整。在定義兩接觸對時，間歇量為0，滲透量為2.6681×1014，滿足計算要求，擬仿真的結(jié)果更加可靠。

通過對GQ47H-DN370型軌道球閥進(jìn)行有限元數(shù)值模擬，閥座密封面的最大實際比壓136.21 MPa。分別采用壓力容器ASME規(guī)范與密封性能評價模型，評價了閥座的強度及閥座與閥體間的密封性。結(jié)果表明，閥座滿足設(shè)計要求，閥座與閥體間的密封性可靠。但是，由于實際比壓136.21 MPa偏大，閥座所承受的壓力較大，閥座容易被壓潰，有可能導(dǎo)致密封面失效，出現(xiàn)泄漏。

通過對GQ47H-DN370型軌道球閥樣機的試制和試驗，其變形與仿真分析結(jié)果基本相符，說明該方法具有有效性與合理性，對今后改進(jìn)GQ47H-DN370型軌道球閥結(jié)構(gòu)和提高其密封性提供了一定的理論支撐，達(dá)到了優(yōu)化設(shè)計的目的。