極限工況下三偏心蝶閥的力學(xué)特性分析

吳 晗，匡茜茜，吳雪萍

（江蘇蘇鹽閥門機(jī)械有限公司，江蘇 鹽城 224500）

0 引言

在管道系統(tǒng)中，閥門是重要的組成部件。閥門的應(yīng)用范圍極廣，可在不同的場(chǎng)景下用來截止、調(diào)節(jié)、導(dǎo)流、防止逆流、穩(wěn)壓、分流等。液化天然氣（LNG）是一種清潔、高效的能源。在環(huán)境問題日益顯著的背景下，天然氣作為清潔能源越來越受到青睞。也正是由于這一趨勢(shì)，天然氣應(yīng)用技術(shù)得到了迅速發(fā)展。蝶閥作為重要的流量控制部件，在LNG 的運(yùn)輸中發(fā)揮著重要的作用。

在閥門的眾多種類中，蝶閥是運(yùn)用范圍較廣的一種。其在實(shí)際應(yīng)用中具有較小的流體阻力，且經(jīng)過不斷的發(fā)展和改進(jìn)，已經(jīng)具有先進(jìn)的設(shè)計(jì)理論和方法［1］。三偏心蝶閥是在雙偏心蝶閥的基礎(chǔ)上，使蝶板中心偏置一定的角度，形成三偏心密封結(jié)構(gòu)。它具有密封性好、系統(tǒng)可靠性高、摩擦阻力小、開閉省力靈活、使用壽命長、可實(shí)現(xiàn)反復(fù)多次開關(guān)等優(yōu)點(diǎn)。隨著計(jì)算機(jī)可視化和數(shù)值技術(shù)的飛速發(fā)展，工程技術(shù)人員已廣泛利用仿真技術(shù)對(duì)零部件進(jìn)行分析?，F(xiàn)在閥門設(shè)計(jì)及流程通常是先對(duì)閥門的外形尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)，使其滿足實(shí)際使用需求，然后通過仿真軟件初步判斷其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度［2］。

本文以某公司生產(chǎn)的24″CDD363Y-150Lb-00型超低溫上裝式三偏心蝶閥為研究對(duì)象，采用數(shù)值模擬的方法，利用有限元仿真軟件對(duì)三偏心蝶閥進(jìn)行應(yīng)力與變形分析，分析結(jié)果可以為蝶閥的進(jìn)一步優(yōu)化提供有力依據(jù)。

1 蝶閥三維模型

超低溫閥門的設(shè)計(jì)除了遵循一般閥門的設(shè)計(jì)原則，還應(yīng)考慮閥門的主要部件能否承受由大范圍溫度變化而引起的熱應(yīng)力。閥體在壓力和熱應(yīng)力等載荷的作用下，不應(yīng)出現(xiàn)明顯的彈塑性變形，才能確保蝶閥的可靠性。由于低溫工況下閥體所承受的溫度應(yīng)力、管道連接處的膨脹和收縮附加應(yīng)力都很大，為了防止低溫工況下應(yīng)力集中造成的脆性破壞，殼體中應(yīng)盡量避免尖角、凹槽等結(jié)構(gòu)。同時(shí)在滿足強(qiáng)度、剛度要求的情況下，應(yīng)該力求閥體整體重量的輕量化。

為此LNG超低溫蝶閥以壓力鑄造奧氏體材料（C F8M）為主體材料，C F8M的耐低溫性、耐壓性、耐磨、耐蝕、焊接性、強(qiáng)度、沖擊韌度、相對(duì)伸長率及組織穩(wěn)定性等均優(yōu)于其他材質(zhì)。其彈性模量E=195 GPa，泊松比v=0.3，許用應(yīng)力［σ］=105 MPa。

參照實(shí)際模型，運(yùn)用三維建模軟件對(duì)三偏心蝶閥進(jìn)行建模，在建模過程中忽略對(duì)蝶閥整體分析影響不大的過渡形狀與較小部件，這樣可以節(jié)約計(jì)算機(jī)資源，提高計(jì)算速度［3］。本文的蝶閥由閥桿、閥體、蝶板和接長閥蓋組成［4］，建立的三維模型如圖1所示，蝶閥主要參數(shù)如表1所示。

表1 超低溫上裝式三偏心蝶閥主要參數(shù)

圖1 閥體三維模型

2 蝶閥有限元分析

2.1 閥門整體分析

本文將蝶閥所受動(dòng)載荷簡化為靜載荷處理，對(duì)蝶閥受力情況進(jìn)行分析，采用閥門關(guān)閉時(shí)的最大動(dòng)載荷來模擬蝶板工作時(shí)所承受的最大靜載荷［5］。

2.1.1 網(wǎng)格劃分

對(duì)于有限元分析來說，網(wǎng)格劃分是非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，網(wǎng)格的質(zhì)量會(huì)直接影響結(jié)果精度。如果網(wǎng)格單元太小，會(huì)造成網(wǎng)格過密，影響計(jì)算效率，網(wǎng)格太大又會(huì)影響計(jì)算精度。在本次網(wǎng)格劃分過程中，由于蝶板處應(yīng)力梯度較大，因此對(duì)該部分進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，而閥體其他部分的網(wǎng)格適當(dāng)加粗，使得在不影響計(jì)算結(jié)果的情況下節(jié)省計(jì)算時(shí)間［6］。整個(gè)閥體部分采用自適應(yīng)劃分技術(shù)，網(wǎng)格劃分完畢后，生成的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)為27 428，單元數(shù)為13 411。網(wǎng)格模型如圖2所示。

圖2 閥體網(wǎng)格模型

2.1.2 施加載荷和邊界條件

基于導(dǎo)入的三維模型，定義結(jié)構(gòu)上的載荷和邊界條件，是有限元分析過程的重要部分。在靜力學(xué)分析過程中，所施加的邊界條件必須滿足在外載荷作用下，結(jié)構(gòu)體不發(fā)生剛體位移。本文對(duì)三偏心蝶閥的入水和出水口施加固定約束，并考慮重力的影響，為三偏心蝶閥施加重力加速度，同時(shí)在蝶閥內(nèi)部施加3 MPa的實(shí)驗(yàn)壓力，施加載荷及邊界條件如圖3所示。

圖3 施加載荷及邊界條件

2.1.3 仿真結(jié)果及分析

極限工作壓力下閥門整體結(jié)構(gòu)的變形分布云圖如圖4 所示。三偏心蝶閥整體最大變形發(fā)生在閥桿頂端，最大變形量為0.159 220 mm。這是由于介質(zhì)壓力大部分作用在蝶板上，導(dǎo)致蝶板發(fā)生變形，而閥桿與蝶板是固定連接，閥桿處雖應(yīng)變較小，但整體剛性位移較大，導(dǎo)致閥桿頂端變形較大。

圖4 閥體變形分布云圖

極限工作壓力下整體應(yīng)力分布云圖如圖5所示。從圖5 可以看出應(yīng)力分布較為均勻，最大應(yīng)力為83.162 MPa，低于許用應(yīng)力。

圖5 閥體應(yīng)力分布云圖

從整體結(jié)構(gòu)的分析結(jié)果來看，最大應(yīng)力集中于閥體和蝶板的連接處，最大變形量相對(duì)集中于蝶板與閥桿上。

2.2 零部件分析

2.2.1 蝶板與閥桿三維模型

蝶板作為三偏心蝶閥的主要零件之一，對(duì)閥門的安全性與密封性有重要影響。考慮到蝶閥的工作環(huán)境，蝶板、閥軸在精加工前必須進(jìn)行深冷處理，以消除相變的影響，否則在低溫下會(huì)發(fā)生馬氏體相變，引起閥門變形，導(dǎo)致閥門泄漏。

蝶板與閥桿連接有雙軸與單軸兩種方式，本文選用單軸連接。蝶板與閥桿的三維模型如圖6所示。

圖6 蝶板與閥桿三維模型

對(duì)實(shí)體三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用智能劃分網(wǎng)格技術(shù)，控制網(wǎng)格質(zhì)量。網(wǎng)格模型如圖7 所示，其中網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)120 077 個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)40 986 個(gè)。

圖7 蝶板與閥桿網(wǎng)格劃分

2.2.2 蝶板與閥桿有限元分析

在閥門關(guān)閉過程中，閥桿轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)蝶板轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)閥門的開啟與關(guān)閉。由于閥門開啟時(shí)，蝶板前后存在較大壓差，所以閥門開啟扭矩大于關(guān)閉扭矩。因此在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，選擇開啟扭矩進(jìn)行計(jì)算。

依照實(shí)際情況對(duì)處于關(guān)閉狀態(tài)的蝶板與閥桿進(jìn)行約束以及添加載荷。對(duì)蝶板板面施加3 MPa壓力，對(duì)閥桿施加轉(zhuǎn)矩8 000 N·m。

計(jì)算得到的蝶板與閥桿應(yīng)力分布云圖如圖8所示。從圖8可以看出應(yīng)力分布比較均勻，沒有出現(xiàn)局部應(yīng)力突變現(xiàn)象，最大應(yīng)力為83.129 MPa，低于材料的許用應(yīng)力。

圖8 蝶板與閥桿應(yīng)力分布云圖

蝶板與閥桿變形分布云圖如圖9所示，可以看出蝶板中心與閥桿軸端變形較大，其中軸端變形最大達(dá)到0.157 96 mm。相較于這兩個(gè)區(qū)域，其他區(qū)域變形較小。

圖9 蝶板與閥桿變形分布云圖

3 結(jié)語

通過對(duì)三偏心蝶閥整體結(jié)構(gòu)及蝶板和閥桿零件進(jìn)行有限元分析，分別得到了各自在最危險(xiǎn)工作條件下的應(yīng)力和變形可視化分析結(jié)果。

（1）從閥門整體結(jié)構(gòu)分析結(jié)果來看，最大應(yīng)力相對(duì)集中于閥體與蝶板的連接部位，最大變形量集中在閥桿頂端。

（2）從蝶閥閥桿與閥桿零件分析結(jié)果來看，應(yīng)力分布比較均勻，沒有出現(xiàn)局部應(yīng)力突變現(xiàn)象；蝶板中心和閥桿頂端變形量較大。

（3）閥門整體結(jié)構(gòu)及蝶板和閥桿的變形量均在正常范圍內(nèi)，應(yīng)力范圍也都低于許用應(yīng)力，滿足實(shí)際工作要求。