基于ABAQUS的高壓球閥球體有限元分析

劉洋，倪威，蔚海文

(1.江漢石油鉆頭股份有限公司，湖北武漢430223;2.中國(guó)海洋石油深圳分公司，廣東深圳518067;3.中煤集團(tuán)山西金海洋能源有限公司，山西朔州036000)

傳統(tǒng)的球閥在使用過(guò)程中，常常因?yàn)榍蝮w與閥座的配合誤差而導(dǎo)致咬傷、卡塞或劃傷等問(wèn)題。為了改善這些不足，現(xiàn)今在西氣東輸管道設(shè)計(jì)項(xiàng)目中使用了大口徑、耐高壓、耐腐蝕的高可靠性球閥。而在這種球閥的設(shè)計(jì)制造中，為盡可能地保證產(chǎn)品質(zhì)量、延長(zhǎng)產(chǎn)品的使用壽命，作者采用有限元數(shù)值模擬的方法[1－2]，對(duì)3種工況下球體的受力情況進(jìn)行了強(qiáng)度分析，并對(duì)整體應(yīng)力、最大變形處、最薄弱環(huán)節(jié)做了評(píng)價(jià)，這對(duì)預(yù)先檢測(cè)產(chǎn)品潛在的問(wèn)題，改善產(chǎn)品的可靠性和安全性，減少產(chǎn)品的制造費(fèi)用及現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)計(jì)和使用具有指導(dǎo)意義。

1 球體力學(xué)分析模型

球體結(jié)構(gòu)為對(duì)稱的薄壁結(jié)構(gòu)，是整個(gè)球閥中體積和質(zhì)量最大、承受最高壓力的部件[3]，其結(jié)構(gòu)與材料質(zhì)量直接影響內(nèi)部應(yīng)力分布和產(chǎn)品的安全性，當(dāng)球閥工作時(shí)，球體在開(kāi)啟和關(guān)閉過(guò)程中，管道內(nèi)的氣體將會(huì)流向中腔內(nèi)部，所以對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度分析十分必要[4]。在此，選取3種工況下球體的受力情況進(jìn)行分析，圖1為某大型球閥的結(jié)構(gòu)圖。

(1)流道內(nèi)有壓力10 MPa，中腔無(wú)壓力

由于球閥尚未開(kāi)啟，流入管道內(nèi)的氣體直接作用在閥座支撐圈上，壓迫閥座緊壓球體產(chǎn)生預(yù)密封作用，管道內(nèi)的氣體將不能通過(guò)縫隙進(jìn)入中腔內(nèi)部。因此在分析時(shí)，球體上游端在流道內(nèi)介質(zhì)壓力 (10 MPa)的作用下，使閥座支承圈和閥座一起壓向球體[5]。

圖1 某型號(hào)大口徑球閥裝配圖

(2)流道內(nèi)壓力10 MPa，中腔內(nèi)壓力13.3 MPa

在特定的條件下，管道內(nèi)的氣體進(jìn)入中腔，這時(shí)球體將受兩種載荷的作用:第一種是在上游端流道內(nèi)介質(zhì)壓力(10 MPa)的作用，使閥座支承圈和閥座一起壓向球體;第二種是在下游端中腔內(nèi)介質(zhì)壓力(13.3 MPa)的作用，使閥座支承圈和閥座一起壓向球體。

(3)流道內(nèi)無(wú)壓力，中腔內(nèi)壓力13.3 MPa (試驗(yàn)工況)

當(dāng)中腔壓力為13.3 MPa、兩端流道無(wú)壓力時(shí)，此時(shí)球體的上游端和下游端同時(shí)受到中腔內(nèi)介質(zhì)壓力(13.3 MPa)的作用，使閥座支承圈和閥座一起壓向球體。

2 球體的有限元模擬

2.1 整體應(yīng)力及位移分析評(píng)價(jià)

通過(guò)模擬上述3種工況下的球體，得到了球體在不同受力狀態(tài)下的應(yīng)力云圖及位移云圖，見(jiàn)圖2—7。

圖2 10 MPa 下球體Mises 應(yīng)力云圖

圖3 10 MPa 下球體位移云圖

圖4 兩種載荷作用下球體Mises 應(yīng)力云圖

圖5 兩種載荷作用下球體位移云圖

圖6 13.3 MPa 下球體Mises 應(yīng)力云圖

圖7 13.3 MPa 下球體位移云圖

經(jīng)過(guò)對(duì)不同工況下的球體模型采用有限元分析，得到集中區(qū)的Mises 應(yīng)力曲線圖，如圖8所示。

圖8 3種工況下應(yīng)力集中區(qū)曲線圖

不同工況下，球體都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)應(yīng)力集中區(qū)，由圖8可以看出:第二種工況下的集中區(qū)域的應(yīng)力最大，第一種次之，第三種最小;就集中區(qū)大小而言，第一、二兩種工況下球體的應(yīng)力集中區(qū)域較長(zhǎng)，第三種的區(qū)域較小，整體上都處在應(yīng)力較小區(qū)。由圖8還可以看出:球體所受最大應(yīng)力值為100 MPa，相比球體材料的屈服極限要小得多，因此球體的工作很安全[6]。

2.2 最大變形處分析評(píng)價(jià)

如圖9所示:3種不同工況下，工況1、2 球體的最大變形量基本相同，最大位移量為0.75 mm，變形量較小;工況3 球體位移最大，達(dá)到了1.75 mm，但是由于該工況下的位移集中區(qū)處在球體的中間部位，抗壓及抗疲勞能力較強(qiáng)，因此不會(huì)對(duì)球體造成損害，仍能正常工作。

圖9 3種工況下位移集中區(qū)曲線圖

2.3 薄弱環(huán)節(jié)處分析評(píng)價(jià)

球體在凸臺(tái)處的直徑產(chǎn)生了突變，工作時(shí)，在變徑處有可能產(chǎn)生應(yīng)力集中，對(duì)球閥可能構(gòu)成損壞，因此了解變徑處的應(yīng)力是非常有必要的。

從圖10可以看出:3種工況下的球體應(yīng)力都處在40～100 MPa 之間，處在比較安全的應(yīng)力范圍內(nèi);第一、二兩種工況下球體變徑處的位移大小基本相同，都小于0.4 mm，處在比較低的區(qū)間;第三種工況下的位移則相對(duì)比較大，但由于該工況時(shí)球體受力變形為對(duì)稱式，因此，球體工作同樣安全。

圖10 3種工況下變徑處曲線圖

3 結(jié)論

(1)閥體有限元分析結(jié)果表明，無(wú)論在10 MPa的工作壓力下還是在閥體無(wú)袖管時(shí)13.3 MPa的試驗(yàn)壓力下，閥體都有足夠的強(qiáng)度保證安全。最大應(yīng)力值在閥體和袖管連接處，閥體的最大位移保持在0.75 mm 以下[7]。

(2)從對(duì)球體在3種不同壓力載荷作用下的分析結(jié)果可以得出:在3種不同工況下，球體所受到的應(yīng)力值變化不大，都處在100 MPa 以下;3種情況下球體的位移量都處在一個(gè)很小的范圍，對(duì)球閥的密封影響不會(huì)太大。因此，在上述3種不同實(shí)際工況下，球體工作狀態(tài)都比較安全。

【1】王建華.固定球閥球體的分析與研究[J].通用機(jī)械制造，2009(3):96－98.

【2】尹襄，周小南，夏曉珅，等.大型球閥制造技術(shù)研究及應(yīng)用[J].東方電機(jī)，2009(2):15－26.

【3】林元茂.管道球閥故障及應(yīng)對(duì)措施[J].茂名學(xué)院學(xué)報(bào)，2007，17(4):21－24.

【4】鄔佑靖.管線球閥的技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展方向[J].閥門(mén)，2007(6):22－33.

【5】高澤普，張成旺，史紅軍.不銹鋼球閥密封結(jié)構(gòu)探討[J].機(jī)床與液壓，2004(10):198－196.

【6】李樹(shù)勛，把橋環(huán)，賀連娟，等.天然氣長(zhǎng)輸管線全焊接鍛造球閥的密封研究[J].潤(rùn)滑與密封，2007，32(1):172－174.

【7】矯永臣，曲樹(shù)蓁，劉永剛.耐磨耐腐蝕球閥結(jié)構(gòu)的改進(jìn)[J].管道技術(shù)與設(shè)備，2009(1):29－31.