高溫高壓大口徑金屬固定球閥數(shù)值模擬計(jì)算

徐佳琦+陸心怡++陳玉

摘 要：閥門廣泛應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)主要領(lǐng)域，是能源、石化、冶金、電力等行業(yè)裝備、機(jī)械與管線等固定資產(chǎn)中的關(guān)鍵設(shè)備之一。文章應(yīng)用Ansys對(duì)大口徑石油管道內(nèi)高溫高壓金屬固定球閥進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助數(shù)值模擬計(jì)算與分析，為閥門產(chǎn)品改進(jìn)設(shè)計(jì)提供理論參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)輔助數(shù)模分析；球閥；Ansys

1 概述

閥門是流體控制系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備之一，一般應(yīng)用于液態(tài)或氣態(tài)流體控制環(huán)境，因此閥門廣泛的應(yīng)用于設(shè)計(jì)流體控制的各個(gè)工業(yè)細(xì)分領(lǐng)域。目前，主要的閥門應(yīng)用領(lǐng)域包括：石油天然氣、電力、化工、自來(lái)水和污水處理、造紙、冶金、制藥、食品、采掘、有色金屬、電子等行業(yè)。其中，石油天然氣、能源電力和化工領(lǐng)域是閥門最重要的應(yīng)用領(lǐng)域。

閥門產(chǎn)品市場(chǎng)隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，也在向高技術(shù)含量、高參數(shù)、耐強(qiáng)腐蝕、高壽命方向發(fā)展。根據(jù)對(duì)國(guó)內(nèi)外閥門技術(shù)和市場(chǎng)需求可分析近年來(lái)國(guó)內(nèi)閥門行業(yè)高新技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)及投資方向。

本文以國(guó)內(nèi)閥門行業(yè)未來(lái)將重點(diǎn)發(fā)展的石油管道球閥在長(zhǎng)久持續(xù)運(yùn)行時(shí)各零部件強(qiáng)度和膨脹變形相關(guān)技術(shù)難題為案例，應(yīng)用Ansys對(duì)石油管道高溫高壓大口徑金屬固定球閥進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助數(shù)值模擬計(jì)算與分析，為閥門產(chǎn)品改進(jìn)設(shè)計(jì)提供理論參考依據(jù)。

2 高溫高壓大口徑金屬固定球閥的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)計(jì)算分析

2.1 閥門參數(shù)

驅(qū)動(dòng)形式：電動(dòng)。

漏量按ISO 5208-2008《工業(yè)用閥門 金屬閥門的壓力試驗(yàn)》 D級(jí)。

主要部件采用的材料：S32590高溫、高強(qiáng)度不銹鋼，密度為7.88kg/m3，楊氏模量為206GPa，泊松比為0.3，熱膨脹系數(shù)為18。

球閥性能指標(biāo)：工作溫度610℃，工作介質(zhì)為氣、烴類，工作壓力為8.25MPa，常溫強(qiáng)度試驗(yàn)壓力為37.5MPa，介質(zhì)為水。

2.2 用Soildworks進(jìn)行建模

如圖1所示，為國(guó)內(nèi)某企業(yè)所研發(fā)的石油管道高溫高壓大口徑金屬硬密固定球閥設(shè)計(jì)方案。

2.3 使用Ansys軟件對(duì)球閥進(jìn)行計(jì)算

對(duì)球閥整體進(jìn)行常溫高壓密封試驗(yàn)，試驗(yàn)壓力為37.5MPa。使用Ansys軟件對(duì)球閥整體進(jìn)行處理。首先進(jìn)行網(wǎng)格劃分，打開Ansys meshing對(duì)球閥進(jìn)行網(wǎng)格劃分，再對(duì)其進(jìn)行固定，在Support中選擇Fixed Support，對(duì)球閥底座進(jìn)行固定。

在球閥內(nèi)部加37.5MPa的壓力。最后在Static Structural下方的Solution選擇Equivalent Elastic Strain，如圖2所示，通過solve得到應(yīng)變分布。

最大變形出現(xiàn)在側(cè)閥體上，最大變形為3.7354×10-3mm，最大壓強(qiáng)為733.11MPa。

3 結(jié)論

通過對(duì)球閥整體進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算分析可見：

（1）球體內(nèi)因?yàn)闇囟容^高而使其內(nèi)部受力不均勻，雖然產(chǎn)生了一定的變形，但仍夠滿足材料使用和設(shè)計(jì)要求。

（2）計(jì)算分析說(shuō)明運(yùn)行溫度條件對(duì)材料變形的影響大于運(yùn)行壓力對(duì)材料變形的影響，改進(jìn)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量選用溫度對(duì)材料影響比壓力對(duì)材料的影響小的材料。

（3）石油管道高溫高壓球閥設(shè)計(jì)計(jì)算分析驗(yàn)證了此閥門在高溫高壓下可以長(zhǎng)久持續(xù)運(yùn)行，其安全性和可靠性能夠得到充分保障。

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