高壓大通徑液動閘閥閥體應力分析及強度評定

姜玉虎，朱登澤，趙華良

（1.江蘇宏泰石化機械有限公司，江蘇鹽城 224499；2.長江大學機械工程學院，湖北荊州 434023）

0 引言

液動閘閥是通過液壓驅(qū)動閥桿與閘板'實現(xiàn)流道的啟閉[1]。對于大通徑、高壓力閘閥，由于流體壓力作用面積更大，使得閥桿的開關(guān)扭矩急劇增加，現(xiàn)場操作人員難以快速地開啟或關(guān)閉閥門，限制了作業(yè)效率。液壓驅(qū)動相對人工操作可提供更高的啟閉力，有利于井口裝置的自動化和無人化，提高油氣開采作業(yè)的安全性。

液動閘閥的安全性是工程技術(shù)人員關(guān)注的重點問題。為保證液動閘閥設(shè)計的安全性，首要的分析對象是液動閘閥的閥體。閥體流道有一組十字相貫線的型腔構(gòu)成，流道相交處存在幾何不連續(xù)，通常此處存在顯著的應力集中[2]。閥體設(shè)計過程中需要分析液壓驅(qū)動平板閘閥閥體的應力應變場，保證足夠的安全系數(shù)。

1 建立模型

1.1 液動驅(qū)動平板閘閥的工作參數(shù)及材料特性

液動驅(qū)動平板閘閥的額定工作壓力為5000 psi，通徑為工作溫度級別為PU，適用石油、天然氣、酸化液等介質(zhì)。

液動驅(qū)動平板閘閥閥體應用的材料為ASTM 4130 75K，材料的屈服強度為517 MPa，抗拉強度為655 MPa，彈性模量為204 MPa，泊松比為0.3。

1.2 實體模型

液動閘閥主要由閥體、閥蓋、閥座、閥桿、閘板等組成。閥體為液動閘閥的主要承壓部件。下文主要聚焦于閥體這一關(guān)鍵部件，分析其在試驗工況下的安全性及可靠性。

閥體滿足幾何與載荷對稱性條件。從計算效率角度及對稱性條件方面考慮，建立閥體的1/8模型。依據(jù)圣維南原理，忽略閥體上一些倒角、螺紋等特征[3]。液動閘閥閥體三維模型如圖1所示。

圖1 液動驅(qū)動平板閘閥閥體

2 有限元模型

2.1 幾何模型

將液動驅(qū)動平板閘閥的1/8模型導入有限元軟件中（圖2）。

圖2 液動驅(qū)動平板閘閥閥體1/8網(wǎng)格模型

2.2 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分過程中，六面體單元相對于四面體單元在計算精度、變形特性、劃分網(wǎng)格數(shù)量以及抗畸變程度等方面都有顯著優(yōu)勢。因此，液動閘閥閥體采用八節(jié)點六面體單元劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸為5 mm，網(wǎng)格模型由111 971個單元組成，包含431 313個節(jié)點。

2.3 載荷與邊界條件

液動閘閥的工作壓力為5000 psi，水壓試驗壓力為7500 psi（51.711 MPa）。由于液動閘閥在試驗工況下的介質(zhì)壓力最高，所以一般使用試驗工況作為液動驅(qū)動平板閘的安全性分析條件。在后續(xù)分析過程中，以試驗壓力為工作載荷，對內(nèi)腔施加均布壓力7500 psi，其他表面為自由面。

邊界條件：液動閘閥在設(shè)計工況以及試驗工況條件下由兩側(cè)端法蘭支撐，法蘭螺栓孔完全固定，軸向方向定義為自由約束，法蘭的臺階面施加位移約束，限制法蘭軸向移動。由于液動閘閥閥體為1/8對稱模型，分別對XOY截面、XOZ截面、YOZ截面添加無摩擦約束，模擬對稱條件。

3 結(jié)果與分析

根據(jù)上述網(wǎng)格模型、載荷以及邊界條件，進行仿真分析，得到液動閘閥閥體的應力應變分布（圖3、圖4）。

圖3 試驗工況下閥閥體應力分布

圖4 試驗工況下閥體應變分布

從圖3中可以看出，液動閘閥閥體在試驗工況下，內(nèi)腔的最大應力為374.49 MPa，位于簡化的閥蓋與閥體連接處。從閘閥裝配體角度，閥體與閥蓋通過螺栓連接，并不連續(xù)，此處不會出現(xiàn)高應力情況。忽略上述區(qū)域的應力，閥體相貫線處的存在顯著的高應力區(qū)，最大應力約為368.5 MPa。

閥體的屈服極限為517 MPa，仿真計算所得到的閘閥閥體的最大應力以及相貫線處的最大應力均低于材料的屈服強度，上述應力及伴隨的殼體形變?nèi)栽趶椥苑秶鷥?nèi)。

4 應力分類及強度評定

為了更準確的評估閥體的應力強度，采用ASME BPVC VIII.2—2019中推薦的壓力容器應力分類方法，考慮應力產(chǎn)生的原因、對失效模式的作用及應力分布把應力分為一次應力和二次應力[4，5]，評定液動閘閥閥體在試驗工況下的應力強度。根據(jù)閥體的結(jié)構(gòu)特征及應力分布，分別在閥體相貫線處和端部法蘭上選A-A、B-B、C-C、D-D、E-E及F-F，6條應力分線來評定閥體強度（圖5）。

圖5 閥體應力分類線

基于上述應力分類線，提取各應力分類線上單元節(jié)點的應力分量，計算上述6條應力分線上的薄膜應力、彎曲應力、薄膜應力+彎曲應力及總應力隨路徑變化規(guī)律（圖6～圖11）。

圖6 路徑A-A應力分類

圖7 路徑B-B應力分類

圖8 路徑C-C應力分類

圖9 應力D-D應力分類

圖10 應力E-E應力分類

圖11 路徑F-F應力分類

根據(jù)各應力分類線上的應力分布結(jié)果可知：沿著應力分類線方向，從閥體外壁到內(nèi)腔，閥體壁厚截面的應力逐漸增大，而薄膜應力與施加的外載荷相關(guān)，因此保持恒定；彎曲應力表現(xiàn)為從正向的拉應力逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?，而薄膜應?彎曲應力在數(shù)值上表現(xiàn)為逐漸增加。

由內(nèi)壓差產(chǎn)生的均勻薄膜應力都劃分為一次局部薄膜應力，且所有線性分布的彎曲應力歸為二次應力[4]。基于此，對閘閥閥體及端部法蘭應力分類線上的應力做一次局部強度（PL）評定和二次局部強度（PL+Q）評定，應力評定結(jié)果分別列于表4和表5。

從表1和表2可以看出，所選應力分類線的一次局部強度評定和二次局部強度評定的應力安全指標數(shù)n都大于1，表明所設(shè)計的5000 psi閘閥閥體的應力強度校核合格。閥體的設(shè)計滿足標準，可以保證液動驅(qū)動平板閘閥的安全可靠的使用。

從表1和表2的應力安全指標數(shù)數(shù)值上看出，無論是一次局部強度校核或二次局部強度校核，位于應力分類線D1-D2和F1-F2上的應力安全指標數(shù)均明顯低于其他應力分類線。造成這種現(xiàn)象的原因源于應力分類線D1-D2和F1-F2均關(guān)聯(lián)到閥體中腔相貫線，該處區(qū)域由于相關(guān)線的存在，使得局部區(qū)域的應力狀態(tài)復雜且應力集中明顯。

表1 一次局部強度（PL）評估

表2 二次局部強度（PL+Q）評估

5 結(jié)論

（1）在7500 psi壓力作用下，大通徑液動閘閥閥體相貫線附近壁面的應力最高，但仍在彈性范圍內(nèi)。

（2）閥體及端部法蘭上應力分類線的一次局部強度校核和二次強度局部強度校核均合格，表明所設(shè)計的大通徑高壓液動閘閥具有較強的安全性，能夠滿足現(xiàn)場使用需求。

（3）局部應力強度校核結(jié)果表明，與中腔相貫線處相關(guān)區(qū)域的應力強度高。未來新型超高壓甚至超超高壓平板閘閥的設(shè)計需要重點關(guān)注此區(qū)域。