高溫高壓球閥球體的熱-結(jié)構(gòu)耦合分析

□ 汪玉鳳 □ 柳棟梁 □ 史慶泰

1.蘭州理工大學(xué)機電工程學(xué)院 蘭州 730050 2.浙江宣達集團 浙江溫州 325100

球閥是一種以球體作為啟閉件，可借助手柄或其它驅(qū)動裝置驅(qū)動球體旋轉(zhuǎn)90°，使球體通孔與閥體通道中心線重合或垂直，實現(xiàn)全開或全關(guān)動作，常用的球閥從結(jié)構(gòu)上可分為浮動球球閥與固定球球閥兩種。球閥的使用非常廣泛，在石油天然氣、煤化工行業(yè)、核工業(yè)等方面都有廣泛的應(yīng)用[1]。球閥結(jié)構(gòu)簡單，密封性好，能實現(xiàn)快速啟閉。球體作為球閥主要的承壓件，對整個球閥的使用性能是至關(guān)重要的，在生產(chǎn)實踐中，球閥球體強度的校核都靠經(jīng)驗或者分析軟件進行，對于高溫高壓球閥，高溫產(chǎn)生的熱應(yīng)力對球體材料的性能具有一定的影響，單純結(jié)構(gòu)分析沒有考慮高溫對球體的影響是有缺陷的。筆者在有限元結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)上，應(yīng)用Workbench進行熱-結(jié)構(gòu)耦合分析，對浙江宣達集團某型號900lb球閥的球體在400℃、8 MPa的壓力下進行全關(guān)閉狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)分析和熱-結(jié)構(gòu)耦合分析，為球體的可靠性設(shè)計提供理論依據(jù)。

1 球體半徑的確定

根據(jù)密封圈材料的許用比壓，按密封面的必須比壓計算公式，初步確定密封面的寬度bM：

式中：bM為密封面的寬度，mm；qMF為密封面的必須比壓；c為與密封面材料有關(guān)的因數(shù)，對于鉻基硬質(zhì)合金，c=3.5；K為在給定密封的條件下，考慮介質(zhì)壓力對比壓值的影響因數(shù)，對于鉻基硬質(zhì)合金，K=0.1；p為公稱壓力，MPa。

閥座密封圈的材料為鉻基硬質(zhì)合金，許用比壓為[q]=150 MPa。 將以上數(shù)值代入式（1）中，運算得：

不管球閥處于開啟狀態(tài)還是關(guān)閉狀態(tài)，密封面與球體接觸面的寬度都不能小于bM。根據(jù)工況，球體強度如需加大，則可適當加大球體直徑。最終設(shè)計球體直徑為247 mm。因不考慮泄壓，球閥在關(guān)閉時，球體還承受溫度和壓力的作用，所以只對球體的關(guān)閉狀態(tài)進行結(jié)構(gòu)和熱-結(jié)構(gòu)耦合分析。

2 球體有限元模型的建立

固定球球閥體，由兩端與球體連接在一起的固定軸承與閥體上的滑動軸承支承，球閥關(guān)閉時，在介質(zhì)壓力的作用下，球體不會產(chǎn)生位移[2]。 應(yīng)用 Solid Works軟件建立球體的三維模型，導(dǎo)入有限元分析軟件Workbench中，球體材料選用鍛造304不銹鋼，材料屬性見表1，采用自動劃分網(wǎng)格，共劃分網(wǎng)格節(jié)點數(shù)為17 450個，網(wǎng)格中的單元數(shù)為9 382個，三維模型如圖1所示。

▲圖1 球體三維圖

3 施加約束和載荷

根據(jù)有限元分析的要求，必須對有限元模型進行約束，才可使分析具有意義[3]。無論是結(jié)構(gòu)分析還是熱-結(jié)構(gòu)耦合分析，對于球體，在介質(zhì)的壓力作用下，閥座密封圈產(chǎn)生位移，在彈簧預(yù)緊力作用下，密封圈始終壓在球體上，從而保證球閥的密封性能。球閥處于關(guān)閉狀態(tài)時，高溫介質(zhì)將溫度和壓力直接作用于球體表面，按球體所能承受的最高溫度400℃和工作壓力8 MPa，對球體進行關(guān)閉狀態(tài)的熱-結(jié)構(gòu)耦合分析和常溫下的結(jié)構(gòu)分析。

表1 球體材料屬性

▲圖2 球體溫度云圖

▲圖3 球體結(jié)構(gòu)分析應(yīng)力圖

▲圖4 熱-結(jié)構(gòu)耦合分析應(yīng)力圖

4 分析求解及結(jié)果分析

（1）通過穩(wěn)態(tài)熱分析模塊，得出球體的穩(wěn)態(tài)溫度場分布如圖2所示。

（2）對球體進行結(jié)構(gòu)分析，在球閥全關(guān)閉狀態(tài)下，對球體施加8 MPa的壓力，所得應(yīng)力如圖3所示。

（3）對球體進行熱-結(jié)構(gòu)耦合分析，將熱分析所得的溫度場加載到球體結(jié)構(gòu)分析中，并且對球體表面施加8 MPa的壓力，分析得出應(yīng)力如圖4所示。

由穩(wěn)態(tài)熱分析結(jié)果可知，介質(zhì)與球體表面直接接觸的位置，球體溫度分布如圖2所示，球體溫度最高達到400℃，球體最低溫度為204.25℃。由球體結(jié)構(gòu)分析可知，球體的應(yīng)力分布如圖3所示，球閥處于全關(guān)閉狀態(tài)時，球體在常溫下受到8 MPa的壓力時最大應(yīng)力為89.09 MPa，最小應(yīng)力為0.051 722 MPa，球體材料在常溫下的許用應(yīng)力為137 MPa，結(jié)構(gòu)分析得出球體的最大應(yīng)力小于材料的許用應(yīng)力，球體強度符合要求。當溫度場作為載荷加載到球體上作結(jié)構(gòu)分析時，在熱載荷和結(jié)構(gòu)載荷的共同作用下，球閥處于全關(guān)閉狀態(tài)時，球體的應(yīng)力分布如圖4所示，最大應(yīng)力出現(xiàn)在球體通道的側(cè)壁處和與閥桿接觸處，最大應(yīng)力為130.25 MPa，最小應(yīng)力為0.266 72 MPa，球體材料在400℃時的許用應(yīng)力為107 MPa，球體的最大應(yīng)力超過材料在400℃的許用應(yīng)力，球體的強度不符合要求。

對球體尺寸進行設(shè)計改進，加大球體的直徑至260 mm，此時對球體進行熱-結(jié)構(gòu)耦合分析，得出球體的最大應(yīng)力為89.641 MPa，最小應(yīng)力為0.648 81 MPa，球體最大應(yīng)力小于材料的許用應(yīng)力，強度符合要求。通過以上兩種不同邊界條件的分析得出，熱載荷作用下的最大應(yīng)力占總應(yīng)力的31.6%。由此可得，若只考慮單純的結(jié)構(gòu)分析，對于球體的結(jié)構(gòu)設(shè)計并不可靠。

5 總結(jié)

建立球體的三維模型，應(yīng)用有限元軟件分別對球體進行結(jié)構(gòu)分析和熱-結(jié)構(gòu)耦合分析，得出球體穩(wěn)態(tài)熱分析下的溫度分布圖、結(jié)構(gòu)分析下的應(yīng)力圖，以及在熱載荷和結(jié)構(gòu)載荷共同作用下的球體的應(yīng)力云圖。結(jié)果表明，球體的應(yīng)力是由結(jié)構(gòu)載荷和熱載荷共同作用下產(chǎn)生的，對球體進行熱-結(jié)構(gòu)耦合分析，可確定球體強度。單純進行結(jié)構(gòu)分析，對于球體強度的校核并不精確，溫度載荷作為影響球體應(yīng)力的重要因素，不能忽略。因此，對球體的熱-結(jié)構(gòu)耦合分析，能為球體的可靠性設(shè)計提供理論分析依據(jù)。

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