?；饭捃囎苑舛率桨踩?cái)嚅y設(shè)計(jì)與分析

王偉(江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究所，江蘇 揚(yáng)州 225000)

0 引言

進(jìn)而21世紀(jì)以來，我國(guó)工業(yè)化進(jìn)程不斷發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)中石油制品、危險(xiǎn)化學(xué)品使用量逐年升高，其雖然在推動(dòng)我國(guó)石油化工產(chǎn)業(yè)發(fā)展中扮演了重要角色，但同時(shí)為工業(yè)生產(chǎn)也帶來了更多安全風(fēng)險(xiǎn)?，F(xiàn)階段我國(guó)運(yùn)輸石油制品和危險(xiǎn)化學(xué)品多采用由車輛底盤和罐體組成的危化品罐車，罐體上附有進(jìn)液閥、液體排放閥、溢流閥、安全閥等多種閥門和管路，由于其運(yùn)輸能力較強(qiáng)，運(yùn)輸成本較低，故得到大眾廣泛青睞，但受多種因素影響，危化品罐車?；沸孤┦录掖伟l(fā)生，據(jù)統(tǒng)計(jì)，2013—2018年，我國(guó)危化品罐車相關(guān)安全事故共發(fā)生2200余起，其中由罐車側(cè)翻、刮蹭、碰撞等因素引起的?；沸孤┦录?0%以上[1]，而傳統(tǒng)閥門管線等重要部件強(qiáng)度較低、容易損壞則是導(dǎo)致其發(fā)生的主要原因，故采取適當(dāng)措施加強(qiáng)閥門管線強(qiáng)度，或設(shè)計(jì)出一種安全性、可靠性更高的截?cái)嚅y裝置，有效解決?；饭捃嚢l(fā)生事故時(shí)危化品泄漏問題，其對(duì)于防止事件進(jìn)一步惡化、避免發(fā)生人員傷亡具有重要意義。本文據(jù)此合理應(yīng)用奧氏體不銹鋼材料設(shè)計(jì)出一款危化品罐車自封堵式安全截?cái)嚅y，其能通過在罐體內(nèi)部切斷介質(zhì)通道，控制介質(zhì)流通，從而避免?；沸孤┌l(fā)生。

1 自封堵式安全截?cái)嚅y設(shè)計(jì)

1.1 工作原理

文章設(shè)計(jì)截?cái)嚅y系屬安全防護(hù)部件，焊接于罐體閥門連接口，并置于罐體內(nèi)，能配合罐體外多個(gè)閥門一同使用。危化品罐車正常運(yùn)行時(shí)，截?cái)嚅y的球形閥芯依靠重力脫離密封面，此時(shí)罐體介質(zhì)正常流通；發(fā)生交通運(yùn)輸事故致罐體、閥門管線附件受損時(shí)，截?cái)嚅y同樣會(huì)在重力和罐體介質(zhì)作用影響下，與閥座密封面共同完成密封，避免?；沸孤?；如果罐車罐體翻轉(zhuǎn)角度較小，無(wú)法通過重力作用實(shí)現(xiàn)?；访芊猓藭r(shí)可通過氣體通入口充入高壓惰性氣體，推動(dòng)活塞向球形閥芯方向運(yùn)動(dòng)，促使球形閥芯與密封面緊密接觸，封堵介質(zhì)通道，實(shí)現(xiàn)?；访芊鈁2]。

1.2 設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的截?cái)嚅y主要由閥體、閥座、密封面、球形閥芯、活塞、介質(zhì)通道、氣體通入口等七部分組成。閥座位于截?cái)嚅y閥體最上端，焊接于罐體閥門接口，介質(zhì)由此進(jìn)入閥體；密封面位于閥座下端，與閥體焊接相連；密封面下端有一介質(zhì)通道，介質(zhì)可在此隨意流動(dòng)；氣體通入口位于閥體最下端，活塞位于氣體通入口上端，活塞與介質(zhì)通道之間設(shè)置球形閥芯，球形閥芯能在閥體中自由活動(dòng)。

1.3 設(shè)計(jì)特點(diǎn)

本文設(shè)計(jì)截?cái)嚅y主要包含以下6個(gè)特點(diǎn)：(1)截?cái)嚅y自密封時(shí)，僅需要借助球形閥芯重力與罐體內(nèi)介質(zhì)作用，屬全自動(dòng)密封，不再需要借助其他外力；(2)截?cái)嚅y內(nèi)部無(wú)易損零件，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具有更高安全性和可靠性；(3)截?cái)嚅y密封屬金屬密封，對(duì)溫度、壓力的承受能力更高，適用性更為廣泛[3]；(4)截?cái)嚅y內(nèi)設(shè)球形閥芯，密封狀態(tài)下球形閥芯可在錐形密封面上行轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)整，密封副接觸屬線性密封，密封性能更高，使用壽命更長(zhǎng)；(5)截?cái)嚅y無(wú)法通過重力實(shí)現(xiàn)密封時(shí)，可向氣體通入口充入高壓惰性氣體實(shí)現(xiàn)氣動(dòng)密封；(6)截?cái)嚅y設(shè)置于罐體內(nèi)，能在不影響罐體介質(zhì)正常流通基礎(chǔ)上，提高罐車運(yùn)輸安全性[4]。

1.4 材料選擇

本文以液化天然氣(LNG)為例，其主要成分為CH4，另外含有少量CH3CH3和CH2CH2CH3，常壓下，LNG密度430～470kg/m3，熔點(diǎn)-182℃，沸點(diǎn)-162℃，燃點(diǎn)650℃，熱值52MMBtu。LNG罐體操作壓力0.60～1.44MPa，操作溫度-162℃，如果閥門管線材質(zhì)選擇不當(dāng)，或閥門內(nèi)部零件強(qiáng)度、剛度、機(jī)械性能未能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，便會(huì)加大閥門管線斷裂風(fēng)險(xiǎn)，致使造成密封面泄漏[5]。為解決閥門管線材質(zhì)及其內(nèi)部零件強(qiáng)度等問題，本文設(shè)計(jì)截?cái)嚅y選材為奧氏體不銹鋼，閥體選用鑄造成型的A351CF8M(上海永龍閥門廠生產(chǎn))，球形閥芯選用A182F316(無(wú)錫市威曼高登特鋼有限公司生產(chǎn))，閥座和活塞均選用A479304(上海隆繼金屬制品公司生產(chǎn))。

2 自封堵式安全截?cái)嚅y相關(guān)計(jì)算

2.1 閥體壁厚

本文設(shè)計(jì)截?cái)嚅y閥體壁厚14.00m，為驗(yàn)證當(dāng)前閥體壁厚是否符合標(biāo)準(zhǔn)，本文利用公式(1)計(jì)算閥體最小壁厚T(mm)，其中P表示閥體計(jì)算壓力(MPa)，D表示閥體計(jì)算內(nèi)徑(mm)，W表示許用拉應(yīng)力(MPa)，C表示腐蝕附加裕量(mm)。查閱資料發(fā)現(xiàn)CF8M許用拉應(yīng)力為520MPa，P取0.16MPa，D取70mm，C取3mm，經(jīng)計(jì)算T≈3.01mm＜14.00mm，可見本文設(shè)計(jì)截?cái)嚅y閥體壁厚滿足要求。

2.2 閥座壁厚

本文設(shè)計(jì)截?cái)嚅y閥座壁厚14.00mm，利用公式(2)驗(yàn)證其是否符合閥座最小壁厚S，其中K表示系數(shù)，PN表示公稱壓力(MPa)，d表示閥座進(jìn)口端最小內(nèi)徑(mm)，S0表示應(yīng)力集中系數(shù)(MPa)，C表示 腐 蝕 附 加 裕 量(mm)。K取1.25，PN取1.6MPa，d取50mm，S0取48.3MPa，C取4.85mm，經(jīng)計(jì)算S≈4.91mm＜14.00mm，說明本文設(shè)計(jì)截?cái)嚅y閥座壁厚滿足要求。

2.3 密封面比壓

查閱發(fā)現(xiàn)不銹鋼材質(zhì)(存在滑動(dòng)摩擦力)密封面比壓標(biāo)準(zhǔn)為≤45.00MPa，利用公式(3)驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)截?cái)嚅y密封面比壓(q)是否符合標(biāo)準(zhǔn)，其中QMZ表示密封面總作用力(N)，d表示閥座進(jìn)口端最小內(nèi)徑(mm)，bM表示密封面線寬(mm)。QMZ取3120.56N，d取50mm，bM取0.5mm，經(jīng)計(jì)算q≈39.34MPa＜45.00MPa，符合標(biāo)準(zhǔn)。

2.4 密封面接觸應(yīng)力

查閱發(fā)現(xiàn)不銹鋼材質(zhì)密封面接觸應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)為≤850～1050MPa，本文利用公式(4)計(jì)算密封面接觸應(yīng)力(σmax)，其中n3表示計(jì)算系數(shù)，F(xiàn)表示作用力，R1表示球形閥芯半徑，R2圓柱凹槽半徑，E1表示閥座材料彈性模量，E2表示球形閥芯材料彈性模量，V1表示閥座材料泊松比，V2表示球形閥芯材料泊 松 比。n3取0.9049，E1=E2取1.9*105MPa，V1=V2取0.3，經(jīng) 計(jì) 算σmax≈786.78MPa≤850～1050MPa，符合標(biāo)準(zhǔn)。

3 閥座有限元分析

文章對(duì)閥座行有限元分析時(shí)，利用SolidWorks軟件，經(jīng)歷勾畫平面草圖、實(shí)體生成、裝配體生成等3個(gè)步驟，構(gòu)建閥座閥芯密封3D實(shí)體模型。

3.1 分析前處理

本文設(shè)計(jì)截?cái)嚅y焊接于罐體內(nèi)部，為達(dá)到與實(shí)際情況更為接近的模擬效果，本文對(duì)閥座與罐體貼合端面即焊接面進(jìn)行充分固定約束，同時(shí)需要結(jié)合公式(5)計(jì)算出外部載荷，并將其施加于閥座密封面，本文施加外部載荷量為3120.56N。

3.2 閥座材料選擇

本文在閥座有限元分析過程中，閥座材料選用304不銹鋼，材料特性包括：(1)彈性模量1.90*1011N/m2；(2)泊松比0.29；(3)密度8000kg/m3；(4)比熱500J/(kg·K)；(5)抗剪模量7.00*1010N/m2；(6)張力強(qiáng)度5.17*108N/m2；(7)屈服強(qiáng)度2.07*108N/m2；(8)熱膨脹系數(shù)1.8*105K。球形閥芯材料選用316不銹鋼，材料特性包括：(1)彈性模量1.92*1011N/m2；(2)泊松比0.30；(3)密度8027kg/m3；(4)比熱450J/(kg·K)；(5)抗剪模量8.20*1010N/m2；(6)張力強(qiáng)度4.85*108N/m2；(7)屈服強(qiáng)度1.70*108N/m2；(8)熱膨脹系數(shù)1.65*105K。

3.3 網(wǎng)格劃分

本文針對(duì)模型網(wǎng)格劃分，選用實(shí)體網(wǎng)格類型，自動(dòng)過濾與網(wǎng)格自動(dòng)環(huán)均處于關(guān)閉狀態(tài)，網(wǎng)格品質(zhì)高，單元大小與公差分別為6.83472和0.34173，共包含8017個(gè)單元，涉及13131個(gè)節(jié)點(diǎn)，雅可比點(diǎn)數(shù)為4。

3.4 分析后處理

通過模型模擬實(shí)驗(yàn)，對(duì)閥座點(diǎn)邊緣應(yīng)力、連續(xù)邊緣應(yīng)力、點(diǎn)邊緣位移、連續(xù)邊緣位移及應(yīng)變進(jìn)行計(jì)算。

3.5 結(jié)果

計(jì)算結(jié)果顯示，閥座密封面與球形閥芯接觸位置產(chǎn)生最大應(yīng)力，最大應(yīng)力值為3.28*107N/m2，低于閥座304不銹鋼材料最大屈服應(yīng)力2.07*108N/m2，故該設(shè)計(jì)符合實(shí)際應(yīng)用要求，截?cái)嚅y內(nèi)部零件可實(shí)現(xiàn)安全工作。最大位移值與最大應(yīng)變值分別為6.772*10-2mm和1.070*10-4mm，位移、應(yīng)變相對(duì)較小，在實(shí)際應(yīng)用中通過肉眼觀察幾乎察覺不到。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)以LNG為 例，基 于LNG中CH4、CH3CH3、CH2CH2CH3等主要成分物理性質(zhì)，選擇奧氏體不銹鋼作為截?cái)嚅y基礎(chǔ)材料，該材質(zhì)零部件強(qiáng)度高，能夠滿足LNG儲(chǔ)存需求。

(2)為驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)截?cái)嚅y安全性，利用多項(xiàng)公式對(duì)截?cái)嚅y內(nèi)部零部件相關(guān)參數(shù)進(jìn)行核算，核算結(jié)果顯示截?cái)嚅y中閥體壁厚、閥座壁厚、密封面比壓及密封面接觸應(yīng)力均符合不銹鋼材料相關(guān)參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，安全性尚佳。

(3)利用SoildWorks軟件構(gòu)建閥座與球形閥芯密封3D實(shí)體模型，完成有限元分析，設(shè)計(jì)過程直觀，設(shè)計(jì)截?cái)嚅y完整性與可靠性極佳。

(4)有限元分析結(jié)果中閥座密封面與球形閥芯接觸產(chǎn)生最大應(yīng)力，不及材料最大屈服應(yīng)力，符合設(shè)計(jì)需求。