高壓長輸管線固定球閥有限元優(yōu)化設計

（銅陵科力閥門有限責任公司，安徽 銅陵 244151）

摘 要：新技術和新材料在閥門制造中的應用，以及新加工工藝的使用，使得閥門設計和制造水平得到了很大程度地提高。有限元閥門優(yōu)化設計軟件在高壓長輸管線固定球閥設計中發(fā)揮著重要的作用。本研究綜述了高壓長輸管線固定球閥概述、有限元分析以及結構耦合優(yōu)化設計等內(nèi)容，目的在于給管線球閥設計提供一定的思路。

關鍵詞：高壓長輸管線;固定球閥;有限元;優(yōu)化設計

管道輸送在我國發(fā)展的非常迅速，液體石油、天然氣都是通過管道來輸送，但是管道輸送最關鍵的是防止氣、油泄露，閥門是管道系統(tǒng)中的重要組成部分，閥門的質(zhì)量直接影響氣、油輸送安全，所以保證閥門質(zhì)量就顯得尤為重要。閥門設計、制作過程均會影響閥門質(zhì)量，所以如何保證閥門設計和制造質(zhì)量，就成了很多閥門制造企業(yè)非常關注的問題。在閥門優(yōu)化設計中，有限元優(yōu)化設計軟件起到了至關重要的作用，給閥門質(zhì)量提供了一定的保障。

1 高壓長輸管線固定球閥概述

1.1 管道球閥的結構特點

球閥是輸送管道系統(tǒng)中較為關鍵的部分，球閥在這個輸送系統(tǒng)中扮演著重要的角色。球閥在系統(tǒng)中能夠發(fā)揮作用與它的結構特點存在很大的關系，通常情況下，球閥主要由閥體、球體、閥座、閥桿以及傳動裝置構成，而常用的管道球閥又由浮動球結構和固定球結構兩部分構成。不同類型的球閥具有不同的結構特點，比如說浮動式球閥的球體是可以浮動的，如果受到壓力的作用，球體就會被壓到出口一側的密封圈上，這時候由于形成了單密封。這種球閥具有結構簡單、單側密封性好的特點，不過這種球閥的開啟與閉合的力矩較大;然而，固定式球閥有上下轉軸，因此球體可以沿著閥門垂直軸線進行轉動，但它不能進行側向移動。另外，常用的閥體主要有全焊接閥體、兩段式螺栓連接閥體、三段式螺栓連接閥體以及頂裝式閥體四種[1]。

1.2 管道球閥存在的問題

球閥具有使用壽命，在使用過程中很可能由于各種原因而存在一定的問題，通常情況下，常見的球閥問題主要體現(xiàn)在以下方面：（1）球芯開關不到位。這個問題主要是說，當球閥的軸端刻線處于水平位置時，指示球閥關閉，但是由于長時間球芯磨損，所以導致閥桿與球體旋轉不同步，這就引起了旋轉誤差;（2）球芯表面鍍鉻處理不當。球閥制造時，通常在球芯表面鍍鉻，這樣可以增強球芯的耐磨性和氣密性，但是鉻層孔隙較多，這使得在其表面直接鍍鉻防腐效果不佳，所以需要進行細致處理，但通常這種處理做的都不夠細致;（3）閥座材料不適于管道球閥的使用工況。這些都是管道球閥存在的問題，需要給予足夠的重視。

1.3 管道球閥結構形式的確定

管道球閥結構不僅決定了它的用途，而且在一定程度上影響著球閥的質(zhì)量。所以在球閥制造過程中，一定要先確定球閥結構。三段式雙向密封固定球閥具有較大的優(yōu)越性，其流體阻力小，而且結構簡單、重量輕、體積小，最關鍵是它的密封性好，因此三段式雙向密封固定球閥在實際應用過程中較為常見。不過球閥生產(chǎn)與應用還要結合實際，根據(jù)生活中的使用需求來設計結構，只有這樣才能物盡其用。

2 有限元分析

2.1 密封圈軸對稱模形接觸有限元分析

有限元方法的基本思路是以連續(xù)體離散化方法為載體，尋求滿足條件的有效值。該方法解決問題主要通過求解聯(lián)立方程組，解出的數(shù)值與連續(xù)體中的離散點相近。在閥門設計優(yōu)化過程中，主要利用有限元軟件來實現(xiàn)，一個完整的有限元程序包含了前置處理、求解程序、后置處理以及時間歷程后置處理等。在利用有限元求解問題的過程中，面臨的關鍵問題就是如何將接觸面條件適當引入求解過程。而且在有限元計算過程中涉及了幾個重要的參數(shù)，包括節(jié)點荷載、單元應力、單元應變、位移函數(shù)，這幾個參數(shù)都是有限元計算中非常重要的。

另外，閥門密封問題分析時，需要建立有限元分析模型。閥門密封中涉及到密封圈問題，密封圈邊界條件比較復雜，所以分析時應該進行整體分析，通常情況下藥依據(jù)密封結構的幾何形狀、形狀以及其它條件，可將密封圈分析模型可簡化為對稱模型[2]。

2.2 活動套筒平面應變及主密封彈塑性有限元分析

在利用有限元分析時，通常會應用到平面應變問題有限元法和彈塑性問題的有限單元法，在使用這兩種方法時需要注意一些問題，比如說在使用彈塑性問題的有限單元法時，必須以增量的方式表示，這是因為在彈塑性問題中，材料的性質(zhì)和應力、應變的歷史有關。另外，在閥門設計時還會面臨大位移問題，對此要采用虛位移原理來建立有限元平衡方程。

閥門設計中有兩個重要內(nèi)容，即閥座及活動套筒的設計。在閥座及活動套筒設計設計時，要考慮的因素有密封面材料、活動套筒與閥座三維圖、活動套筒閥座截面密封有限元計算、密封比壓計算以及固定球閥密封力計算等。

3 結構耦合優(yōu)化設計

3.1 殼體計算

閥門是管道系統(tǒng)的重要組成部分，它承擔著許多功能，如它在不同介質(zhì)的壓力、溫度下進行開啟、減壓、調(diào)節(jié)等功能，因此閥門承壓邊界的完整性和安全性是需要著重考慮的問題。閥門設計時要加強對殼體的計算，殼體計算時需要考慮殼體材料和殼體厚度兩個因素。殼體材料好壞會直接影響到制造工藝、質(zhì)量以及成本，所以在選用殼體材料時，要綜合地考慮多方面的因素，包括導熱性能、工藝性能、耐腐蝕性以及熱膨脹性等。閥體壁厚的計算是閥門設計的重要環(huán)節(jié)，通常情況下，殼體計算主要是根據(jù)指定的設計標準進行，但是因為閥體選材不在殼體壁厚規(guī)定的范圍之內(nèi)，所以只能通過計算來確定壁厚[3]。

3.2 優(yōu)化設計

優(yōu)化設計模型在解決實際問題中起著非常關鍵的作用，通常情況下確定設計變量、約束條件及目標函數(shù)之后就可以生成模型，通過數(shù)學模型計算相應的參數(shù)和變量。數(shù)值迭代是優(yōu)化設計中常用的方法，其優(yōu)化的基本思路是搜索、迭代、逼近。搜索主要是指根據(jù)優(yōu)化方法規(guī)定的原則來確定搜索的方向，迭代是指搜索過程的重復，通過逐步的迭代計算確定出一個最佳值。迭代終止具有一定標準和原則，包括當相鄰的兩個迭代點之間的距離充分小時，可以終止迭代;當相鄰迭代點的目標函數(shù)值的下降或相對下降量充公下時，也可終止迭代;當目標函數(shù)在迭代點的梯度已達到充分小時，終止迭代。

在實際優(yōu)化設計過程中，主要利用有限元設計軟件進行。此軟件優(yōu)化設計的步驟主要包括生成分析文件、構建優(yōu)化控制文件、根據(jù)已完成的優(yōu)化循環(huán)和當前優(yōu)化變量的狀態(tài)修正設計變量，重新投入循環(huán)、查看設計序列結果及后處理設計結果。

3.3 殼體有限元計算

殼體有限元計算也是閥門有限元優(yōu)化設計中重要的環(huán)節(jié)，在殼體有限元計算時，不僅要考慮結構的穩(wěn)定分布，而且還要了解溫度變化而引起的結構應力分布，這主要是因為結構體系的溫度發(fā)生變化時，結構會膨脹或收縮，而且如果膨脹或者收縮程度不同，就可能產(chǎn)生熱應力。殼體計算發(fā)現(xiàn)，經(jīng)有限元分析得知由公式計算出來的殼體壁厚略小于有限元分析得出的最優(yōu)壁厚，應用有限元優(yōu)化，這樣才能得到最優(yōu)值。

4 結語

總而言之，閥門是管道系統(tǒng)中重要的部分，但同時閥門的質(zhì)量直接影響了管道系統(tǒng)的運輸安全，所以無論是閥門設計，還是閥門制造都需要嚴格控制質(zhì)量，在閥門設計時要充分地利用有限元優(yōu)化方法來優(yōu)化，給閥門質(zhì)量提供更大的保障。

參考文獻：

[1]肖念新，劉春霞，李智會，李錦澤，康維民，潘麗瑋.基于Pro/E小型播種機的三維設計[J].農(nóng)機化研究，2011（09）：16-18.

[2]劉揚，劉匯源.高溫硬密封球閥密封結構研究[J].閥門，2013（04）：25-27.

[3]陳鑫，吳福迪，王立峰，趙云峰.大縫隙密封的幾種異型截面橡膠密封結構的有限元分析[J].強度與環(huán)境，2012（04）：31-33.