管線球閥閥座失穩(wěn)與應(yīng)變設(shè)計

楊熙翀 李永喜 李隨義

摘? 要：在大型管線球閥國產(chǎn)化的一次試驗中，發(fā)現(xiàn)非正常泄漏。經(jīng)檢查，閥座內(nèi)徑發(fā)生殘余變形，閥座在外壓作用下失穩(wěn)。本文對受外壓閥座進行應(yīng)力、應(yīng)變分析，并提出閥座強度、應(yīng)變的設(shè)計、計算方法。

關(guān)鍵字：閥座，應(yīng)變設(shè)計，穩(wěn)定性

1.閥座失穩(wěn)的發(fā)生

管線球閥的閥座可視為一個薄壁圓筒，把閥座作為一個閥門內(nèi)件，通常不考慮閥座的失穩(wěn)。但對于一個大口徑高壓球閥的閥座，按API-6D進行DIB-I試驗時，閥座是一個受外壓的薄壁圓筒，可能發(fā)生失穩(wěn)，需進行應(yīng)力、應(yīng)變分析和計算。

Class900，NPS56的管線球閥，在一次DIB-I的試驗時，二側(cè)密封座發(fā)生大量泄漏，閥座發(fā)生殘余變形，內(nèi)徑1360mm，縮小至1358mm。證實閥座失穩(wěn)。

2.應(yīng)力分析

典型的閥座結(jié)構(gòu)如圖1所示。

在DBB功能試驗時，金屬閥座1處于內(nèi)壓的作用下，如圖2（a）所示。在DIB-I功能試驗時，閥座處于外壓的作用，如圖2（b）所示。在液壓強度試驗時，閥座處于，和兩端壓力的共同作用下。如圖2（c）所示。

這樣，我們可以把閥座視為一個圓筒，受內(nèi)壓，外壓，兩端壓力的作用。假設(shè)是一個無限長的筒體，則。令圓筒內(nèi)半徑為a，外半徑為b，顯然圓筒上任何一點上的應(yīng)力分量是半徑r的函數(shù)。筒狀閥座是一個軸對稱零件，一點上的應(yīng)力分量用極坐標(biāo)表示為：環(huán)向應(yīng)力，徑向應(yīng)力，軸向應(yīng)力。因為我們假定是無限長的筒體，二端壓力，所以。作二向應(yīng)力狀態(tài)考慮。如圖3（a）所示。

3.應(yīng)變分析

在求得應(yīng)力分量，之后，根據(jù)公式（3）可求得相應(yīng)的徑向應(yīng)變，環(huán)向應(yīng)變。

直徑變化量直接影響密封圈的初始壓縮量，可能導(dǎo)致泄漏。

4.外壓殼體的工程計算

在工程上受外壓殼體的強度，即壁厚的計算可按照ASMEⅧ-（1）UG28“外壓殼體和管子的壁厚”進行。計算的目的，是針對某已知壁厚的筒體材料及其物性參數(shù)求得一個臨界外壓〔P〕值。

臨界外壓〔P〕與結(jié)構(gòu)參數(shù)L/D，D/t以及材料的屈服極限有關(guān)。D為筒體內(nèi)徑，t為壁厚，L為筒體長度。

第一步，按L/D，D/t在ASMEⅡ-D篇第3分篇中求得參數(shù)A。

第二步，根據(jù)求得的參數(shù)A，以及材料和工作溫度在ASMEⅡD篇3分篇相應(yīng)材料的線算圖上求得參數(shù)B。

第三步，按下列公式計算臨界工作外壓〔P〕

5.結(jié)論

管線球閥對于要求DIB-I功能的閥座，需要進行外壓下閥座的強度，變形和失穩(wěn)計算。尤其是高壓，大口徑的金屬閥座。在密封設(shè)計時，閥座的徑向變形增大了密封間隙，可能會導(dǎo)致密封失效，應(yīng)予注意。

參考文獻

〔1〕徐芝綸 ，彈性力學(xué)，人民教育出版社1982，P.85

〔2〕范欽珊，壓力容器的應(yīng)力分析與強度設(shè)計，原子能出版社1979，P.47-P.51

〔3〕ASME 鍋爐壓力容器規(guī)范第Ⅷ卷第一冊壓力容器建造規(guī)則，2010版

〔4〕ASME 鍋爐壓力容器規(guī)范第Ⅱ卷：材料，D篇性能，2010版

作者簡介

楊熙翀（1984 年3月22日），漢族，男，本科，甘肅平?jīng)鋈?，工程師，浙江永盛科技股份有限公司，從事閥門設(shè)計與研究。郵編：311400