DN350鎖渣閥密封結(jié)構(gòu)有限元分析

武 剛，吳向清，馬玉山，張耀華

（1.西北工業(yè)大學(xué)航空學(xué)院，陜西 西安 710072；2.吳忠儀表有限責(zé)任公司，寧夏 吳忠 751100）

1 引言

球閥是一種由閥桿帶動(dòng)啟閉件，并使其繞閥桿軸線(xiàn)作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的閥門(mén)［1］。由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，密封性能好，操作方便，啟閉動(dòng)作迅速，所需驅(qū)動(dòng)扭矩小，因此被人們廣泛應(yīng)用［2］。鎖渣閥作為球閥的一種，結(jié)構(gòu)以金屬密封固定球閥為主，通過(guò)碟簧的預(yù)緊力和工作介質(zhì)的壓強(qiáng)作用，實(shí)現(xiàn)大口徑球芯和閥座的密封［3］，主要用于定期收集和排放來(lái)自氣化爐激冷室底部的渣水混合物，需要在高溫、高壓工況下連續(xù)運(yùn)行，由于其復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和惡劣的使用工況，很難對(duì)鎖渣閥開(kāi)啟、閉合過(guò)程進(jìn)行受力分析，因此需要借助有限元分析方法對(duì)鎖渣閥開(kāi)啟、閉合過(guò)程進(jìn)行力學(xué)仿真分析。

目前，文獻(xiàn)［4］對(duì)硬密封球閥典型進(jìn)口端主密封結(jié)構(gòu)的密封比壓分布規(guī)律進(jìn)行研究，將球芯結(jié)構(gòu)作為解析剛體、施加固定邊界條件，分析了壓力角、密封面寬度在關(guān)閉狀態(tài)下對(duì)密封比壓分布規(guī)律的影響。文獻(xiàn)［5］針對(duì)Class1500 NPS14型蝸輪蝸桿傳動(dòng)硬密封固定球球閥應(yīng)用有限元法對(duì)其在關(guān)閉狀態(tài)下的密封性及應(yīng)力分布進(jìn)行了分析。文獻(xiàn)［6］建立浮動(dòng)球閥的有限模型，分析了閥座接觸面上密封比壓的分布規(guī)律。文獻(xiàn)［7］對(duì)高壓天然氣球閥用有限元分析模擬了球閥強(qiáng)度，給出了壓力和載荷分布的規(guī)律。文獻(xiàn)［8］采用有限元數(shù)值模擬的方法，對(duì)3種不同工況條件下球體的受力情況進(jìn)行了強(qiáng)度分析，并對(duì)整體應(yīng)力、最大變形處、最薄弱環(huán)節(jié)做了評(píng)價(jià)，找出整個(gè)球體的應(yīng)力大小及載荷分布情況。文獻(xiàn)［9］對(duì)硬密封固定球閥閥桿與球體接觸及閥座與球體接觸進(jìn)行有限元分析，對(duì)閥座與球體接觸部位進(jìn)行非線(xiàn)性接觸分析，得到隨開(kāi)度變化閥座與球體接觸應(yīng)力變化規(guī)律；分析了某一狀態(tài)下閥座密封面寬度和閥座偏轉(zhuǎn)角度對(duì)閥座密封面上最大等效應(yīng)力和最大位移變形的影響規(guī)律。文獻(xiàn)［10］分析了ANASYS Workbench在球閥疲勞磨損中的應(yīng)用，以浮動(dòng)球閥建立分析模型，分析了球閥壓力載荷的變化對(duì)閥體疲勞壽命所產(chǎn)生的影響，并提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施。目前的相關(guān)研究主要集中在分析一定載荷、某一狀態(tài)下，球閥應(yīng)力、應(yīng)變、密封比壓分布情況，以及某狀態(tài)下密封面寬度和密封面夾角對(duì)球閥應(yīng)力、應(yīng)變的影響，而分析密封面寬度、密封面夾角對(duì)球閥轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中應(yīng)力、應(yīng)變影響的相關(guān)研究較少。

這里針對(duì)“神華寧煤400萬(wàn)噸年間接液化項(xiàng)目”的DN350鎖渣閥，運(yùn)用Abaqus有限元軟件分析不同密封面夾角、不同密封面寬度的密封結(jié)構(gòu)在開(kāi)啟、閉合過(guò)程中應(yīng)力場(chǎng)、應(yīng)變場(chǎng)分布，確定最大等效應(yīng)力、應(yīng)變位置，得到密封面寬度和密封面夾角對(duì)應(yīng)力場(chǎng)、應(yīng)變場(chǎng)的影響規(guī)律，對(duì)鎖渣閥應(yīng)用過(guò)程中的磨損失效進(jìn)行預(yù)測(cè)，研究成果將為大口徑硬密封固定球鎖渣閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供參考。

2 鎖渣閥密封原理

鎖渣閥密封結(jié)構(gòu)主要由球芯和密封閥座組成，密封結(jié)構(gòu)剖視圖及局部放大，如圖1所示。密封結(jié)構(gòu)為碟簧加載金屬硬密封，球芯軸向固定不動(dòng)，密封閥座通過(guò)碟簧的彈性力作用水平移動(dòng)。當(dāng)鎖渣閥處于關(guān)閉狀態(tài)，球芯與密封閥座形成的密封副將介質(zhì)截?cái)?，此時(shí)，球芯受到工作介質(zhì)壓強(qiáng)和密封閥座壓力，而密封閥座受到預(yù)緊力和工作介質(zhì)的共同作用，以保證滿(mǎn)足密封所需的密封必須比壓。球芯在開(kāi)啟過(guò)程中，密封閥座在碟簧的作用下沿軸向發(fā)生移動(dòng)，保證在實(shí)現(xiàn)密封的前提下，減小閥座和球芯的摩擦力，減小球芯轉(zhuǎn)動(dòng)所需的扭矩。

圖1 密封結(jié)構(gòu)剖視圖及局部放大圖Fig.1 Cross-Sectional View of the Sealing Structure and a Partial Enlarged View

3 密封結(jié)構(gòu)分析模型

根據(jù)煤化工實(shí)際鎖渣閥密封結(jié)構(gòu)，這里選取密封面夾角分別為44°、45°、46°，每一個(gè)密封面夾角對(duì)應(yīng)的密封面寬度分別為10mm、12.5mm、15mm、17.5mm，建立鎖渣閥密封結(jié)構(gòu)模型，考慮鎖渣閥密封結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性以及有限元分析的計(jì)算量和準(zhǔn)確性，對(duì)鎖渣閥密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化后有限元分析模型，如圖2所示。根據(jù)鎖渣閥裝配體的配合要求完成有限元裝配體分析模型，如圖3所示。

圖2 有限元分析簡(jiǎn)化模型Fig.2 Finite Element Analysis Simplified Model

圖3 有限元分析裝配體模型Fig.3 Finite Element Analysis Assembly Model

本模型閥座材料和球芯材料賦予相同的材料屬性為ASTM A182 F51+WC，具體材料物理參數(shù)［11-12］，如表1所示。

表1 閥座和球芯的材料物理參數(shù)Tab.1 Material Physical Parameters of the Seat and the Core

球芯和閥座網(wǎng)格類(lèi)型為C3D8R，不同密封面夾角和不同密封面寬度模型的網(wǎng)格質(zhì)量根據(jù)各自模型選取最優(yōu)的網(wǎng)格劃分，設(shè)定球芯網(wǎng)格尺寸為20，密封閥座網(wǎng)格尺寸為19，密封閥座密封面細(xì)化網(wǎng)格，設(shè)定邊單元數(shù)為4。

定義相互作用屬性為：切向定義罰函數(shù)，摩擦系數(shù)設(shè)定為0.15，法向定義硬接觸；定義作用的球芯面和閥座密封面，并賦予面-面相互作用屬性。

運(yùn)用Abaqus有限元分析軟件求解物理方程，必須給定模型合適的邊界條件。定義約束邊界條件，如圖4（a）所示。圖中A部分為密封閥座端面約束；B部分為密封閥座側(cè)表面，受到閥體限制作用，設(shè)為沿X軸自由；C部分為球芯轉(zhuǎn)動(dòng)約束。定義載荷邊界條件，如圖4（b）所示。流體壓強(qiáng)P=5.9MPa，作用位置如圖4（b）中P所示，碟簧預(yù)緊力為（3500～5000）N，本模型預(yù)緊力轉(zhuǎn)化為表面載荷FMax=0.5548MPa，作用位置如圖4（b）中F所示。

圖4 邊界條件示意圖Fig.4 Schematic Diagram of Boundary Conditions

4 密封結(jié)構(gòu)有限元分析結(jié)果

4.1 密封面寬度、密封面夾角對(duì)密封結(jié)構(gòu)的影響

在保證密封面夾角不變的情況下，重建密封面寬度為10mm、12.5mm、15mm、17.5mm的密封閥座模型。通過(guò)有限元分析計(jì)算，得到不同密封面夾角對(duì)應(yīng)不同密封面寬度的有限元分析結(jié)果。其中，不同密封面寬度、密封面夾角對(duì)最大等效應(yīng)力、應(yīng)變的影響變化曲線(xiàn)，如圖5所示。不同密封面寬度、不同密封面夾角對(duì)應(yīng)的最大等效應(yīng)力值和最大應(yīng)變值，如表2所示。

圖5 密封面寬度、密封面夾角的最大等效應(yīng)力、應(yīng)變圖Fig.5 Maximum Equivalent Stress and Strain Diagram of the Sealing Surface Width and the Angle of the Sealing Surface

表2 有限元分析結(jié)果數(shù)據(jù)表Tab.2 Finite Element Analysis Results Data

由圖5可見(jiàn)，密封面夾角為44°、45°時(shí)，最大等效應(yīng)力與密封面寬度符合線(xiàn)性變化，隨著密封面寬度的增加，最大等效應(yīng)力逐漸減小；密封面夾角46°時(shí)，則密封面寬度12.5mm時(shí)對(duì)應(yīng)的等效應(yīng)力、應(yīng)變最小。

有限元分析結(jié)果顯示，當(dāng)密封面夾角45°、密封面寬度17.5mm時(shí)，密封結(jié)構(gòu)的最大等效應(yīng)力和應(yīng)變值最小，即為理想的密封結(jié)構(gòu)。

4.2 理想密封結(jié)構(gòu)的有限元分析

針對(duì)理想密封結(jié)構(gòu)的應(yīng)力場(chǎng)和應(yīng)變場(chǎng)進(jìn)行分析，密封面夾角45°、密封面寬度17.5mm密封結(jié)構(gòu)達(dá)到最大等效應(yīng)力、應(yīng)變時(shí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力場(chǎng)、應(yīng)變場(chǎng)云圖，如圖6所示。

圖6 密封結(jié)構(gòu)最大等效應(yīng)力、應(yīng)變?cè)茍DFig.6 Maximum Equivalent Stress and Strain of the Sealed Structure

從圖6云圖結(jié)果可見(jiàn)，在密封結(jié)構(gòu)開(kāi)啟、閉合過(guò)程中，密封結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)變?yōu)?.00111，最大等效應(yīng)力為446.08185MPa，低于材料的屈服強(qiáng)度450MPa，因此不會(huì)發(fā)生塑性變形。

如圖7～圖9所示，分別為密封結(jié)構(gòu)各個(gè)部件實(shí)例的應(yīng)力場(chǎng)和應(yīng)變場(chǎng)云圖，其中圖7為球芯等效應(yīng)力、應(yīng)變?cè)茍D，在密封結(jié)構(gòu)達(dá)到最大等效應(yīng)力、應(yīng)變時(shí)，球芯最大等效應(yīng)力為304.2162MPa，位于球芯受工作介質(zhì)壓強(qiáng)一側(cè)，最大應(yīng)變?yōu)?.001061，具體位置，如圖7所示；圖8為進(jìn)口端閥座等效應(yīng)力、應(yīng)變?cè)茍D，進(jìn)口端閥座最大等效應(yīng)力為446.081848MPa，最大應(yīng)變?yōu)?.00111，位置，如圖8所示；圖9為出口端閥座等效應(yīng)力、應(yīng)變?cè)茍D，出口端閥座最大等效應(yīng)力為83.798943MPa，最大應(yīng)變?yōu)?.0003，位置，如圖9所示。

圖7 球芯最大等效應(yīng)力、應(yīng)變?cè)茍DFig.7 The Maximum Equivalent Stress and Strain of the Core

圖8 進(jìn)口端閥座最大等效應(yīng)力、應(yīng)變?cè)茍DFig.8 Maximum Equivalent Stress and Strain Cloud Diagram of the Inlet End Seat

圖9 出口端閥座最大等效應(yīng)力、應(yīng)變?cè)茍DFig.9 Maximum Equivalent Stress and Strain of the Outlet End Seat

理想密封結(jié)構(gòu)各部件最大等效應(yīng)力值、應(yīng)變值及相應(yīng)位置，如表3所示。

表3 理想模型各部件最大等效應(yīng)力、應(yīng)變數(shù)據(jù)表Tab.3 Maximum Equivalent Stress and Strain Data of Each Component of the Ideal Model

密封結(jié)構(gòu)各個(gè)部件實(shí)例在模擬過(guò)程中等效應(yīng)力、應(yīng)變隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)，如圖10所示。

圖10 等效應(yīng)力、應(yīng)變隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)Fig.10 Curve of Equivalent Stress and Strain-Time

分析密封結(jié)構(gòu)各個(gè)部件實(shí)例等效應(yīng)力、應(yīng)變隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)可以得到：

等效應(yīng)力場(chǎng)和應(yīng)變場(chǎng)隨時(shí)間的變化趨勢(shì)基本一致。時(shí)間T在（1～2）s階段為壓強(qiáng)加載，進(jìn)口端閥座等效應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生較大變化，說(shuō)明進(jìn)口端閥座在施加壓強(qiáng)過(guò)程中發(fā)生較大的彈性變形，球芯和出口端閥座發(fā)生較小的彈性變形，但是密封結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力并未超過(guò)屈服強(qiáng)度，說(shuō)明密封結(jié)構(gòu)并未發(fā)生塑性變形，具有良好的密封性能。

時(shí)間T在3s時(shí)，施加轉(zhuǎn)動(dòng)約束，可以發(fā)現(xiàn)，球芯轉(zhuǎn)動(dòng)瞬間，三個(gè)部件實(shí)例等效應(yīng)力場(chǎng)、應(yīng)變場(chǎng)均發(fā)生突變，分析原因在于：開(kāi)啟瞬間，密封面接觸形式由面接觸轉(zhuǎn)變?yōu)榫€(xiàn)接觸導(dǎo)致了等效應(yīng)力場(chǎng)、應(yīng)變場(chǎng)發(fā)生突變；此外由于部件受力不平衡，在未接觸與接觸銜接處發(fā)生較大變形，出現(xiàn)應(yīng)力集中。

時(shí)間T在（3～4）s階段為卸壓階段，隨著壓強(qiáng)的減小，密封結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力、應(yīng)變逐漸減小，但是并未恢復(fù)到初始狀態(tài)，可以預(yù)測(cè)經(jīng)過(guò)一定開(kāi)啟、閉合次數(shù)之后，密封結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生塑性變形，特別是進(jìn)口端閥座在開(kāi)啟瞬間，閥座下方密封面內(nèi)徑部位將首先發(fā)生較大變形，導(dǎo)致密封比壓小于密封必須比壓，說(shuō)明密封結(jié)構(gòu)失效。

5 結(jié)論

（1）當(dāng)密封面夾角45°、密封面寬度17.5mm 時(shí)，DN350 鎖渣閥密封結(jié)構(gòu)的最大等效應(yīng)力和應(yīng)變值最小為理想的密封結(jié)構(gòu)。

（2）理想密封結(jié)構(gòu)最大等效應(yīng)力為446.08185MPa，位于進(jìn)口端閥座下方密封面內(nèi)徑，等效應(yīng)力均低于材料屈服強(qiáng)度450MPa，不會(huì)發(fā)生塑性變形；最大應(yīng)變?yōu)?.00111，位于進(jìn)口端閥座下方密封面中徑。

（3）鎖渣閥經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期工作后，進(jìn)口端閥座下方密封面內(nèi)徑部位將首先發(fā)生較大塑性變形，導(dǎo)致密封結(jié)構(gòu)失效。