超高壓閘閥強(qiáng)度有限元分析

韓雪峰，匡茜茜，王寅

（江蘇蘇鹽閥門機(jī)械有限公司，江蘇 鹽城 224500）

隨著天然氣、石油等能源探明儲(chǔ)量不斷增加，非常規(guī)油氣井口裝置得到更廣泛的應(yīng)用。平板閘閥是井口裝置中的重要組成部件。平板閘閥的工作原理為閥桿帶動(dòng)閘板在豎直方向上往復(fù)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)閘閥流體通道的通斷，而閘板的運(yùn)動(dòng)方向與流道軸線垂直。超高平板閘閥是一種典型的壓力容器。閘閥在工作過(guò)程時(shí)，介質(zhì)常常帶有高壓，極端情況下介質(zhì)壓力可達(dá)到140MPa。閘閥閥體、閘板等關(guān)鍵零部件需要具有足夠的強(qiáng)度以承受介質(zhì)高壓，確?，F(xiàn)場(chǎng)使用過(guò)程中不出現(xiàn)失效破壞，保障現(xiàn)場(chǎng)工人的人身安全。針對(duì)超高壓閘閥在超高壓工況下的服役安全性，工程技術(shù)人員開(kāi)展了大量的研究。黃加桌等人通過(guò)加厚閥體底部的厚度，增加底部加強(qiáng)筋的數(shù)量等方式對(duì)平板閘閥底部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，并利用有限元方法驗(yàn)證了可行性。李艷等人研究了平板閘閥的介質(zhì)流動(dòng)規(guī)律和關(guān)鍵零部件的應(yīng)力強(qiáng)度，并依據(jù)分析結(jié)果改進(jìn)了平板閘閥的結(jié)構(gòu)。本文以超高壓閘板閥為對(duì)象，采用有限元方法計(jì)算了高壓作用下閥體和閘板的應(yīng)力強(qiáng)度，結(jié)合閥體與閘板的應(yīng)力分布規(guī)律，確定閥體與閘板的危險(xiǎn)區(qū)域，為后續(xù)閥體及閘板的補(bǔ)強(qiáng)和優(yōu)化提供參考。

1 閘閥結(jié)構(gòu)

超高壓閘閥由閥桿護(hù)套、手輪、止推軸承、閥桿螺母、閥桿、軸承座、閥蓋、閥體、閥板、閥座和尾桿等組成，如圖1所示。其中，閥板與閥桿之間通過(guò)T型槽連接并傳遞運(yùn)動(dòng)，閥板與閥座在波形彈簧的張力作用下相互貼緊。圖2、圖3所示為閥體和閘板，閥體本體有一組相互貫穿的十字孔，其相貫區(qū)域的幾何不連續(xù)處是應(yīng)力集中現(xiàn)象的高發(fā)區(qū)域，同時(shí)閘板上的圓形通孔在高壓作用下同樣存在圓孔應(yīng)力集中。

圖1 超高壓平板閘閥

圖2 閥體的三維模型

圖3 閘板的三維模型

從閘閥各部件的受力角度考慮，下文中將聚焦于閥體與閘板2個(gè)關(guān)鍵零部件。同時(shí)為了便于后續(xù)閘板及閥體的有限元模型建立，忽略了閥體上用于法蘭連接的螺紋孔、倒角等特征。閘板結(jié)構(gòu)同樣也做簡(jiǎn)化處理，忽略閘板上部的T型槽，將閘板上部分做實(shí)心處理，下部分的流體通道保留，且孔徑應(yīng)與流道直徑相同。

2 有限元模型

2.1 有限元模型

閥體是直接與高壓流體接觸的部件，且閥體上的十字相貫孔使得閥體的內(nèi)腔結(jié)構(gòu)復(fù)雜，存在多處應(yīng)力集中區(qū)域。閥體采用六面體單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸為10mm，為了保證計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性，在閥體與閘板的交接區(qū)域還需要進(jìn)行單獨(dú)加密處理。模型離散后產(chǎn)生224773個(gè)節(jié)點(diǎn)、64324個(gè)單元。如圖4所示。

圖4 網(wǎng)格模型

閘板作為流體流通的控制開(kāi)關(guān)，在閥門處于全開(kāi)狀態(tài)時(shí)，承載的大小幾乎可以忽略不計(jì)，因此僅考慮閥門處于全閉狀態(tài)，閘板受到高壓流體對(duì)其密封區(qū)域的壓迫。因?yàn)殚l板結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，采用四面體單元?jiǎng)澐忠材鼙ＷC足夠的計(jì)算精度，四面體單元尺寸同樣為10mm，對(duì)其承載區(qū)進(jìn)行單獨(dú)加密處理，在模型網(wǎng)格化后具有118788個(gè)節(jié)點(diǎn)、81856個(gè)單元。如圖4所示。

2.2 材料力學(xué)性能

閘閥的檢驗(yàn)既要求對(duì)帶壓力作用下的密封性能，又要求閘板具有足夠的抗拉強(qiáng)度。API600-2009、GB/T12234-2007及API591-2008等標(biāo)準(zhǔn)對(duì)閘板抗拉強(qiáng)度提出了詳細(xì)的要求。

閘閥的流通介質(zhì)為高壓流體，因此閥體和閘板的材料在高壓作用下應(yīng)具備高的機(jī)械性能，閥體與閘板材料均選擇為優(yōu)質(zhì)合金鋼，并經(jīng)調(diào)質(zhì)處理提高其材料性能，保證硬度207～237HB，其力學(xué)相關(guān)參數(shù)如表1。

表1 閥體材料性能參數(shù)

2.3 載荷與邊界條件

閥體與閘板的載荷及邊界條件主要根據(jù)閘閥的工況。由于閘閥只能作全開(kāi)和全關(guān)動(dòng)作，不能用于調(diào)節(jié)和節(jié)流，所以僅分析全開(kāi)或者全閉狀況下的閥體和閘板強(qiáng)度。然而在閘閥整個(gè)的工作過(guò)程，全開(kāi)及全閉工況下，閥體與閘板的受力形式、大小及邊界條件存在顯著差異。但是，在全開(kāi)狀態(tài)下，閥體與高壓介質(zhì)的接觸面積更大，閥體及閘板需要承受的外載荷相對(duì)于關(guān)閉工況下更高。鑒于上述情況，后續(xù)過(guò)程中將以更危險(xiǎn)的全開(kāi)工況施加載荷與邊界條件。閘閥的工作壓力為140MPa，全部作用于閥體內(nèi)流道和中腔表面。在采油作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，閘閥通過(guò)位于閥體兩側(cè)的法蘭與其它的閥門或管道連接并固定。同時(shí)本文主要關(guān)注法蘭中腔相貫線區(qū)域的應(yīng)力狀態(tài)，根據(jù)圣維南原理，法蘭端的約束對(duì)中腔相貫線處的應(yīng)力強(qiáng)度沒(méi)有影響，因此后續(xù)分析過(guò)程中在閥體兩側(cè)法蘭面上施加固定約束。

閘板在工作過(guò)程中，閘板處于全閉時(shí)載荷最大，其所受最大介質(zhì)壓力為140MPa。閘板在全閉時(shí)，其頂部通過(guò)T型槽及閥桿限位。因此分析過(guò)程中，閘板僅需要約束閘板頂部平面的所有位移。

3 結(jié)果與分析

圖5所示為140MPa介質(zhì)壓力作用下閥體的Mises應(yīng)力分布。從圖6中可以看出，閥體的應(yīng)力分布呈左右對(duì)稱，閥體中腔區(qū)域的應(yīng)力較低，閥體流道區(qū)域的應(yīng)力較高，主要原因是閥體中腔的壁厚大于流道區(qū)域，且流道的直徑明顯小于中腔直徑，同等壓力作用下，由于小孔應(yīng)力集中效應(yīng)，流道內(nèi)腔的應(yīng)力強(qiáng)度會(huì)高于中腔內(nèi)壁應(yīng)力。其次，從Mises應(yīng)力分布還可發(fā)現(xiàn)，在流道和中腔相貫線處的下側(cè)存在最大應(yīng)力，達(dá)到411.36MPa，但低于材料的屈服強(qiáng)度。整體應(yīng)力分布表明位于流道內(nèi)表面下側(cè)區(qū)域的應(yīng)力高于上側(cè)。

圖5 閥體應(yīng)力分布圖

圖6所示為閥體的變形云圖。從中可以看出最大變形位移在閥體的相貫線處，變形量為0.197mm。在閥體中腔處的厚度為100mm，則其變形量約為0.19%，一般在工程實(shí)際應(yīng)用中變形量小于1%即可，因此閥體的變形也在允許范圍內(nèi)。

圖6 閥體變形分布云圖

整體上看來(lái)，閥體在高壓介質(zhì)作用下的應(yīng)力仍在彈性范圍內(nèi)，能夠承受140MPa的介質(zhì)壓力，滿足設(shè)計(jì)需求。

圖7 及圖8分別為關(guān)閉狀態(tài)下的應(yīng)力和變形云圖。由圖7可知，閘閥處于全閉狀態(tài)時(shí)，應(yīng)力最大值位于頂部約束平 面的邊緣處，最大應(yīng)力值為411.45MPa。而根據(jù)表1中閘板材料的力學(xué)性能，其屈服強(qiáng)度為620MPa，Mises應(yīng)力的最大值小于屈服強(qiáng)度，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖7 閘板的壓力分布圖

圖8 閘板的變形分布圖

圖8表明，閘閥處于全閉狀態(tài)時(shí)，最大變形處在流體沖擊閘板的中心區(qū)，最大變形為0.179mm。在最大變形處的閘板厚度為46mm，其變形量為0.39%，而工程中變形量小于1%即可，顯然達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文以某公司生產(chǎn)的超高壓閘閥為對(duì)象，采用有限元方法計(jì)算了閥體和閘板在140MPa壓力作用下的應(yīng)力和變形，所得結(jié)論如下：

（1）閥體的最大應(yīng)力點(diǎn)位于相貫線下側(cè)，且位于流道下側(cè)表面的應(yīng)力高于流道上側(cè)表面。

（2）超高壓閘閥的閥體和閘板在140MPa作用下的應(yīng)力和變形均在許用范圍內(nèi)，能夠滿足設(shè)計(jì)需求。