氧气切断球阀有限元分析

特瑞

    在传统阀门设计中，由于计算方法的限制，只能根据材料力学中提供的一些经验公式进行估算，这种方法不能全面反映阀门的应力状态，也不能给设计人员指出阀门的薄弱环节和改进方向。随着计算机技术的发展和力学理论的发展，在阀门整个设计周期中，采用有限元分析进行数值仿真已经走向成熟。

    氧气切断球阀广泛运用于各种煤气化装置以及化工、石化、钢铁、冶金、空分等行业。由于介质是氧气，任何的外泄漏和内泄漏都可能造成剧烈燃烧、爆炸等严重后果。因此，对氧气切断球阀的设计重点是解决承压件的强度和阀门密封的问题。

    本文以NPS14Class600为例，对氧气切断球阀承压件的强度和阀座与球体变形进行有限元分析。

    1 氧气切断球阀承压件强度分析

    有限元分析材料参数见表1。

表1 有限元分析材料参数

    1.1 阀体强度有限元分析

    阀体的壁厚通常采用标准ASMEB16.34简化公式计算或查表。但是，氧气切断球阀主阀体通道与阀杆相交处属于典型的结构总体不连续，容易引起局部应力集中。同时主阀体与副体采用多个螺栓连接，螺栓孔边缘也容易引起局部应力集中。因此，需用有限元方法对阀体的强度进行验证。

    1.1.1 许用应力Sm的确定

    许用应力Sm取σb/n1与σS/n2两者中的较小值，n1与n2分别是σb和σS的安全系数。

    取σb=552MPa，n1=2.6，则Sm=σb/n1=212MPa；

    取σS=241MPa，n2=1.65，则Sm=σS/n2=146MPa；

    取两者中较小的值：Sm=146MPa；1.5Sm=219MPa；3Sm=438MPa。

    1.1.2 几何模型及网格划分

    取主阀体和侧阀体作为计算对象，二者通过螺栓连接。在模型中通过无质量刚体及多点约束一起模拟螺栓固定主阀体与侧阀体。由于计算中涉及装配体的接触分析，为了便于计算，有限元计算模型采用主阀体和侧阀体的1/4结构模型。主阀体和侧阀体网格划分，单元类型为Solid45，单元数为43778个，节点数为11435个。

    1.1.3 计算结果

    下页图1为主阀体和副阀体在介质压力10MPa下的应力强度有限元计算云图。从下页图1可看出，主阀体与副阀体连接螺栓孔边缘产生应力集中现象。

图1 主阀体和副阀体应力强度有限元计算云图

    1.1.4  应力评定

    在ASMEBPVC中，给出了分析设计方法，设计的合格性通过考察在各种设计外载荷下的结构行为来进行校核。并提出根据弹性壳体不连续理论，将弹性应力场分解为一次、二次和峰值3种不同的应力，然后以相应的应力强度极限来评定结构强度，该方法能准确分析阀体局部应力集中和整体的结构强度。

    在ASMEBPVC中，结构强度的判定均采用应力强度，即按第三强度理论计算结构当量强度：应力强度是在给定点上最大主应力和最小主应力的代数差，拉应力为正，压应力为负。

    弹性应力场可分解为一次应力、二次应力Q、三次应力和峰值应力。一次应力又可分为一次总体薄膜应力PM、一次局部薄膜应力PL和一次弯曲应力Pb。由于阀体所承受载荷是非周期性的载荷，对阀体产生破坏的是一次应力和二次应力，峰值应力的影响可不予考虑，根据ASMEBPVC规范要求，只需要校核：

    （1）PM，校核判据条件：PM≤Sm；

    （2）PL+Pb，校核判据条件：（PL+Pb）≤1.5Sm；

    （3）PL+Pb+Q，校核判据条件：（PL+Pb+Q）≤3Sm。

    PM、PL、Pb和Q均按应力强度进行分解，且当以上3个应力强度校核判据条件同时满足，则可判断结构强度安全。氧气切断球阀主阀体和副阀体应力评定结果见表2。   

表2 氧气切断球阀主阀体和副阀体应力评定结果

    从表2可以看出，氧气切断球阀主阀体和副阀体设计是安全的。

    1.2 球体强度有限元分析

    球体主要承受弹簧预紧力和介质压力（10MPa）产生的作用力。

    球体采用三维建模方法，网格划分单元采用Solid45，单元数为18405个，节点数为4441个。球体应力强度有限元计算云图见图2。从图2可看出，球体与阀杆连接处产生应力集中现象。

图2 球体应力强度有限元计算云图

    校核判据条件：σ最大≤σs；σ最大=162MPa，σs=414MPa，评定结果安全。

    1.3 阀座强度有限元分析

    阀座主要承受弹簧预紧力、介质压力（10MPa）产生的作用力和球体的反作用力。

    阀座采用三维建模方法，网格划分单元采用Solid45，单元数为28928个，节点数为36352个。阀座应力强度有限元计算云图见图3。从图3可看出，阀座密封面应力最高。

图3 阀座应力强度有限元计算云图   

    校核判据条件：σ最大≤σs；σ最大=142MPa，σs=414MPa，评定结果安全。

    1.4 支撑板强度有限元分析

    氧气切断球阀采用固定球支撑板结构，当上游氧气压力作用于球体上，推力通过支撑板及时消解于阀体及管线上，不直接作用在阀杆上。阀杆在开关的过程中只承受扭矩，不承受弯矩，延长氧气切断球阀的使用寿命。

    支撑板采用三维建模方法，网格划分单元采用Solid45，单元数为11894个，节点数为3197个。支撑板固定球体的中间孔180°为受力面，施加力为571015N。支撑板应力强度有限元计算云图见下页图4。从下页图4可看出，支撑板固定球体的中间孔处产生应力集中现象。

图4 支撑板应力强度有限元计算云图

    校核判据条件：σ最大≤σs；σ最大=109MPa，σs=241MPa，评定结果安全。

    1.5 阀杆强度有限元分析

    氧气切断球阀的阀杆主要用来承受扭矩，要求阀杆的安全系数至少大于2。

    阀杆采用三维建模方法，网格划分单元采用Solid45，单元数为23421个，节点数为5641个。为了便于在键槽处加载扭矩，在阀杆外构造一个质量点，将质量点与阀杆键槽面上的节点刚性联接，扭矩加载在质量点上，然后传递到键槽面上。扭矩施加为18200N·m。阀杆应力强度有限元计算云图见图5。从图5可看出，阀杆半圆柱销孔底部产生应力集中现象。

图5 阀杆应力强度有限元计算云图

    校核判据条件：σ最大≤0.5σs；σ最大=197MPa，0.5σs=517MPa，评定结果安全。

    2 氧气切断球阀阀座和球体变形分析

    氧气切断球阀密封的基本原理是：在介质压力作用下，阀座材料产生的变形可以弥补球体变形以及球体的不圆度和粗糙度。假设A—阀座材料变形；B—球体变形；C—球体圆度误差；阀门密封必须满足：A＞B+C，A、B、C均为绝对值。

    2.1 球体变形B计算

    球体变形B主要取决于球体球径SΦ，球体轴颈根部与球心距离L。因此球体变形是SΦ、L的函数，即：B=f（SΦ、L）。

    在介质压力作用下，由于球体壁厚不均匀，球体密封面上的压缩变形量也是不均匀的，因此将压缩变形差作为球体的变形量。球体变形计算结果见图6。球体在密封面相对球体中心径向变形B为0.031mm。

图6 球体变形计算结果

    2.2 阀座变形A计算

    阀座变形A计算结果见图7。阀座在密封面相对球体中心径向变形A为0.136mm。

图7 阀座变形计算结果   

    2.3 分析及结果

    假设球体圆度误差C=0.020mm，则：A=0.136mm，B+C=0.031+0.02=0.051mm，满足：A＞B+C。因此氧气切断球阀在关闭状态，完全能够保证密封。

    3 结论

    氧气切断阀的承压件通过有限元分析，强度安全可靠。通过对阀座和球体的变形计算，来分析氧气切断球阀的密封问题。在氧气切断阀设计中，采用有限元分析方法，大大缩短了产品设计周期和试验成本，提高设计水平和产品质量。