基于有限元技術(shù)實(shí)現(xiàn)加氫閥閥體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)?

申 彪，馬敏莉，陳崇南

（1．南通職業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南通 226002；2．南通高中壓閥門有限公司，江蘇 南通 226002）

0 引言

加氫閥是用于介質(zhì)中含有工業(yè)氫的易燃、易爆場(chǎng)合的特殊閥門?；诩託溟y的高危工況，目前國(guó)內(nèi)石化行業(yè)基本采用進(jìn)口高壓加氫閥門，為了加快國(guó)產(chǎn)加氫閥的進(jìn)程，確保加氫閥的質(zhì)量，采用先進(jìn)的有限元技術(shù)對(duì)加氫閥關(guān)鍵零件如閥體進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)顯得尤為必要。本文以某閘閥為例，依據(jù)API 600等美國(guó)石油學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)及以色列石油公司等客戶要求，提出了加氫閥閥體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，針對(duì)閥體材料、流道形式、整體鍛造結(jié)構(gòu)對(duì)閥體質(zhì)量影響的復(fù)雜性，利用SolidWorks建立了閥體的三維實(shí)體模型，給出了閥體最大工況時(shí)的邊界條件，使用有限元分析軟件MSC．Patran對(duì)其進(jìn)行了強(qiáng)度分析，獲得該閥體在各個(gè)方向的受力和變形，得到閥體結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力部位，驗(yàn)證了閥體零件設(shè)計(jì)的合理性。

1 閥體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1．1 基本參數(shù)

閘閥的技術(shù)參數(shù)如下：

公稱通徑：8英寸，即203．2mm；

公稱壓力：1 500Lb，即25MPa；

適用溫度：－29℃～＋427℃。

1．2 閥體材料及熱處理

在滿足氫腐蝕的基礎(chǔ)上，依據(jù)Couper曲線［1］中高溫H2S＋H2對(duì)各種鋼材的腐蝕率選擇適宜的閥體材料，如 WC6（F11）、WC9（F22）、F321、F304、A105N等。依據(jù)ASME B16．34及客戶訂單要求，加氫裝置閥門材料一般選用A105N、F22、F321。其中A105N材料的主要化學(xué)成分為：C的質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤0．23%、P的質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤0．035%、S的質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤0．025%；其熱處理狀態(tài)為正火。F321的熱處理狀態(tài)為固溶＋（850～870）℃正火處理。F22鍛件須為A182F22Class3，抗拉強(qiáng)度不超過(guò)690MPa，熱處理為正火＋730℃回火。

1．3 閥體的結(jié)構(gòu)

閥體采用整體鍛造結(jié)構(gòu)，組織致密，表面質(zhì)量好。閥體的流道采用全通徑式設(shè)計(jì)，其流道孔徑與閥門公稱通徑基本相同。閥體壁厚、閥體端法蘭、結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度等結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)依據(jù)API600《鋼制閘閥—法蘭連接或?qū)付?、螺栓連接閥蓋》及 ASME B16．34《閥門—法蘭連接端、螺紋連接端和對(duì)焊端》等標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。

閥體零件圖如圖1所示。

2 閥體有限元模型的強(qiáng)度分析

2．1 已知條件

加氫閥閥體的材料選用A105N，材料屈服強(qiáng)度≥250MPa，合格供應(yīng)商材質(zhì)報(bào)告中的屈服強(qiáng)度為360 MPa，抗拉強(qiáng)度≥485MPa，彈性模量為202GPa，泊松比為0．30。

閥體內(nèi)壓為25MPa。

2．2 邊界條件

（1）通道二端口焊接無(wú)限長(zhǎng)管道尺寸為Φ219．1 mm×Φ174．5mm。

（2）A－A自密封部位受25MPa內(nèi)壓力以及閥蓋自密封產(chǎn)生的徑向分力2 221．6kN，自緊密封圈對(duì)閥體的比壓為102．7MPa，閥蓋與閥體密封連接后，可作為中間剛性板。

（3）Tr270×6梯形螺紋面承受介質(zhì)壓力為1 276．8kN。

（4）5／8－11UNC螺紋處承受閘板關(guān)閉時(shí)的作用力為299．8kN。

（5）閥體中腔與通道交匯中心，受沿通道軸線方向閘板與閥座的密封力為402．6kN。

圖1 閥體零件簡(jiǎn)圖

2．3 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

2．3．1 閥體有限元模型的建立

加氫閥閥體零件為帶圓孔的鍛件結(jié)構(gòu)，各連接處有過(guò)渡圓角、倒角，其結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，所以在實(shí)體建模時(shí)應(yīng)對(duì)模型進(jìn)行必要的簡(jiǎn)化。根據(jù)圣維南原理［2］，對(duì)閥體的部分局部特征如倒（圓）角、螺釘孔等進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化，簡(jiǎn)化后利用SolidWorks建立閥體的三維模型，如圖2所示。

圖2 閥體三維模型圖

2．3．2 劃分網(wǎng)格

采用Patran中TetMesh網(wǎng)格生成器，用Global Edge Length方法控制網(wǎng)格的疏密，用10節(jié)點(diǎn)四面體單元?jiǎng)澐止?jié)點(diǎn)和單元，完成閥體網(wǎng)格的劃分［3］。

2．3．3 加載位移和壓力的約束

按照邊界條件的要求，在 MSC．Patran Loads／BCs模塊下完成閥體邊界條件的加載，并在Materials和Proper模塊下完成閥體材料彈性模量和泊松比的設(shè)定［4］。加載完后的有限元模型如圖3所示。

2．3．4 結(jié)果求解

在Analysis模塊下，調(diào)用Nastran求解器進(jìn)行線性求解，可得閥體的應(yīng)力云圖，如圖4所示。

圖3 閥體有限元模型圖

圖4 閥體應(yīng)力云圖

3 結(jié)果分析

從圖4中可以清晰地發(fā)現(xiàn)，在載荷作用下，該零件工作時(shí)產(chǎn)生的最大應(yīng)力為220MPa，低于材料的屈服極限250MPa，低于合格供應(yīng)商材質(zhì)報(bào)告中的屈服強(qiáng)度360MPa，其安全系數(shù)達(dá)到1．6；由圖4中還可看到，大部分應(yīng)力在118MPa以下，只有在閥體中腔與通道交匯處產(chǎn)生了局部的應(yīng)力集中，但低于材料的屈服極限250 MPa。通過(guò)以上分析結(jié)果可以得出結(jié)論，該零件的結(jié)構(gòu)合理，選擇的材料是可靠的，能夠承受工作時(shí)的載荷［5］。

4 結(jié)束語(yǔ)

（1）基于有限元技術(shù)實(shí)現(xiàn)加氫閥閥體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，為現(xiàn)階段鍛鋼加氫閥國(guó)產(chǎn)化提供了一種方法，為我國(guó)多向模技術(shù)推廣提供了一種途徑。

（2）通過(guò)有限元分析可知該閥體零件工作時(shí)產(chǎn)生的最大應(yīng)力為220MPa，低于材料的屈服極限250MPa，低于合格供應(yīng)商材質(zhì)報(bào)告中的屈服強(qiáng)度360MPa，可承受高壓負(fù)荷，滿足高危工況下的強(qiáng)度要求。

（3）針對(duì)閥體材料、流道形式、整體鍛造結(jié)構(gòu)對(duì)閥體質(zhì)量影響的復(fù)雜性，在加氫閥閥體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，引入有限元技術(shù)，為高溫高壓等環(huán)境苛刻條件下的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了一種方法，也為后續(xù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)工作提供了依據(jù)。

［1］ 陳崇剛，趙建新，鄭其祥，等．SH／T3129加工高硫原油重點(diǎn)裝置主要管道設(shè)計(jì)選材導(dǎo)則［S］．北京：中華人民共和國(guó)國(guó)家經(jīng)濟(jì)貿(mào)易委員會(huì)，2002．

［2］ 黃偉，歐長(zhǎng)松，陸海漫，等．龍門銑床立柱結(jié)構(gòu)的有限元分析與拓?fù)鋬?yōu)化［J］．機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2012，31（1）：119－121．

［3］ 金晶，吳新躍．有限元網(wǎng)格劃分相關(guān)問(wèn)題的分析研究［J］．計(jì)算機(jī)輔助工程，2005，14（2）：75－78．

［4］ 李邦國(guó)，路華鵬，胡仁喜，等．Patran 2006與 Nastran 2007有限元分析實(shí)例指導(dǎo)教程［M］．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007．

［5］ 李兵．魚雷活塞發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)配氣閥（閥體）的有限元分析［D］．西安：西北工業(yè)大學(xué)，2002：8－32．