進(jìn)口大口徑球閥閥體設(shè)計(jì)
球閥按口徑可以分為小口徑球閥，中口徑球閥，和大口徑球閥，超大口徑球閥：
1． 小口徑閥門：公稱通徑DN<40mm的閥門。
2．中口徑閥門：公稱通徑DN50～300mm的閥門。
3．大口徑閥門：公稱通徑DN350～1200mm的閥門。
4．特大口徑閥門：公稱通徑DN≥1400mm的閥門。
由于球閥具有流體阻力小、密封性能好、可靠性高、啟閉速度快等突出優(yōu)點(diǎn)，不僅使它在一般工業(yè)管道上得到廣泛的應(yīng)用，而且在核工業(yè)、宇航工業(yè)的液氧與液氫輸送管線中亦被普遍采用。隨著我國(guó)西氣東輸工程的啟動(dòng)，大口徑球閥在輸送天然氣等方面的需求量巨增（據(jù)統(tǒng)計(jì)，在干線上共設(shè)置了190座線路截?cái)嚅y室和62座支線截?cái)嚅y室），而國(guó)內(nèi)目前生產(chǎn)的球閥公稱通徑大多在500mm以下，對(duì)于大口徑球閥的開發(fā)較少。因此，開發(fā)科技含量高、安全性好、可靠性高、耐惡劣環(huán)境能力強(qiáng)的大口徑球閥，滿足國(guó)內(nèi)幣場(chǎng)的需求，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
球閥設(shè)計(jì)的內(nèi)容主要有閥體壁厚的計(jì)算、球閥法蘭的設(shè)計(jì)、球閥閥桿強(qiáng)度的計(jì)算、球體強(qiáng)度和剛度的計(jì)算、以及填料壓蓋和彈性元件的計(jì)算。作為球閥主要部件之一的閥體，設(shè)計(jì)是否合理會(huì)直接影響到整個(gè)球閥性能的好壞。本文主要討倫DN500型閥體的設(shè)計(jì)。
1 大口徑球閥閥體設(shè)計(jì)
1.1 球閥整體結(jié)構(gòu)介紹
球閥的整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示，其主要組成部分有：閥體、球體、啟閉傳動(dòng)結(jié)構(gòu)、支撐結(jié)構(gòu)和密封結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)的球閥公稱通徑為500mm，閥體腔體內(nèi)徑為Ф754mm，閥體腔體外徑為Ф808mm，承受工作壓力為5MPa，閥體法蘭處內(nèi)徑為Ф489mm。閥體材料的屈服極限為275MPa，強(qiáng)度極限為485MPa，許用應(yīng)力取121.69MPa。
1.2 閥體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
由于球閥的口徑較大，考慮到鑄造方面的因素和加工的難度，閥體設(shè)計(jì)成二分體式閥體，兩個(gè)閥體通過螺栓、“O”型圈密封連接，形成一個(gè)整體通道閥體帶有泄壓裝置，當(dāng)閥體內(nèi)腔出現(xiàn)壓力異常時(shí)，可通過泄壓安全閥，泄掉閥腔內(nèi)壓力，保護(hù)閥體安全。同時(shí)，由于下方的接管要承受尾桿傳給的球體重力，為了防上閥體太大的變形，在它與法蘭之間增設(shè)一個(gè)凸臺(tái)。這種二分體式閥體要比整體式閥體單件質(zhì)量輕，鑄造、機(jī)械加工和安裝更為方便。閥體三維結(jié)構(gòu)圖見圖2所示。
1.3 影響閥體設(shè)計(jì)因素的分析
閥體不僅受到流體的內(nèi)壓力，而且還受到管道的應(yīng)力、球體的重力、以及其他方面的附加力。在設(shè)計(jì)時(shí)不僅要考慮強(qiáng)度，還要考慮密封。腐蝕、制造工藝等方面的因素。現(xiàn)有球閥閥體的計(jì)算公式，大多是把球閥看作壓力容器，從壓力容器的計(jì)算公式演變而來。但球閥閥體的形狀比壓力容器要復(fù)染得多，不僅不同類型的球閥閥體形狀不一樣，即使是同一個(gè)閥體，各部分的尺寸也不*相同。如果按照常規(guī)方法，把不同形狀和尺寸的部位分開進(jìn)行計(jì)算，會(huì)非常繁瑣，因此一般還是把它按等厚度進(jìn)行考慮。只是在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上考慮其他因素（比如工藝的需要）后，設(shè)計(jì)成非均勻壁厚的閥體。
1.4 球閥閥體壁厚的確定
在壁厚的設(shè)計(jì)過程中，既要做到安全可靠，還要兼顧經(jīng)濟(jì)性。為了使計(jì)算結(jié)果趨于合理，這里運(yùn)用6種不同的方法進(jìn)行對(duì)比設(shè)計(jì)，見表1所示。 表1 閥體壁厚的6種計(jì)算方法
計(jì)算
方法參考標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算公式計(jì)算結(jié)果
1把閥體看作壓力容器，按照 GB150-1998 滿足條件時(shí)的相關(guān)公式計(jì)算δB
=11.89mm，C取4mm。圓整以后壁厚取12mm
2按文獻(xiàn) [2] 所給的薄壁球形閥體公式計(jì)算δB
=11.81mm，C取4mm。圓整以后壁厚取12mm
3按文獻(xiàn) [3] 公式計(jì)算，對(duì)于中低壓金屬球閥閥體的強(qiáng)度計(jì)算，通常采用薄壁容器的計(jì)算公式δB
=23.14mm，C取2mm。圓整以后壁厚取24mm
4為了保證閥體各處都處于彈性狀態(tài)，按能量原理計(jì)算δB
=17.3mm，C取3mm。圓整以后壁厚取18mm
5按文獻(xiàn) [4] 所給的圓形鑄造閥體壁厚計(jì)算公式計(jì)算δB
=25.9mm，C取2mm。圓整以后壁厚取26mm
6考慮剛度按文獻(xiàn) [2] 引入標(biāo)準(zhǔn)，選取閥體的最小壁厚為： δmin=27mm
注：δB ——考慮了附加余量閥體厚度
Di ——閥體腔體直徑
Pc ——計(jì)算壓力
——焊接接頭系數(shù)，取1
Ri ——閥體腔體半徑
C —— 附加余量，考慮鑄造偏差、工藝性和流體的腐蝕等因素，選擇方法見文獻(xiàn)[2]
前5種計(jì)算方法只是從滿足閥體的強(qiáng)度出發(fā)，沒有把剛度（即密封要求）考慮進(jìn)去，計(jì)算結(jié)果都比按剛度選取的壁厚小。所以在有限元建模時(shí)，暫時(shí)按剛度來選取閥體的最小壁厚。
2 閥體三維有限元應(yīng)力分折
為了考察閥體局部應(yīng)力和變形的大小，用ANSYS有限元軟件進(jìn)行了三維數(shù)值模擬，進(jìn)而驗(yàn)證設(shè)計(jì)結(jié)果是否滿足設(shè)計(jì)要求。
2.1 模型建立
考慮到閥體的對(duì)稱性，取閥體的一半來研究，并對(duì)局部網(wǎng)格進(jìn)行了細(xì)化，單元總數(shù)為108372，單元類型為solid95三維實(shí)體單元。
2.2 邊界條件和載荷
為便于分析，對(duì)邊界條件進(jìn)行了簡(jiǎn)化。閥體兩端都是法蘭連接，把其看為簡(jiǎn)支約束；在法蘭端面有螺栓孔的環(huán)行面積上施加了Z（徑向）方向和Y（環(huán)向）方向約束。在閥體對(duì)稱面上，施加了對(duì)稱約束。同時(shí)，在模型的內(nèi)表面上施加流體工作壓力，并對(duì)墊片壓緊力和螺栓載荷作了簡(jiǎn)化，作為面力施加在法蘭相應(yīng)的環(huán)行面積上。（在此沒考慮墊片和螺栓的預(yù)緊力，只考慮其工作載荷。）除此之外，還考慮了球體的重力和閥體的自重產(chǎn)生的影響，見圖3所示。
2.3 計(jì)算結(jié)果分析
2.3.1 工作壓力下的模擬結(jié)果分析
通過計(jì)算，得出閥體詳細(xì)的應(yīng)力分布情況，以及應(yīng)力的實(shí)際位置。對(duì)結(jié)果進(jìn)行后處理的方法有很多，這里采用第四強(qiáng)度理論（Mises應(yīng)力）以云圖的形式給出閥體的應(yīng)力分布情況。
從圖中可以看出，除個(gè)別的畸形單元，圖中連續(xù)區(qū)域的應(yīng)力值約為167.8MPa，主要集中在法蘭的頸部以及閥座與閥體相接的密封面處（該處為結(jié)構(gòu)不連續(xù)處）。按分析設(shè)計(jì)，此兩處的應(yīng)力校核條件應(yīng)滿足：σ≤3[σ]=362.07MPa，由此可見應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于3倍的許用應(yīng)力。
考慮閥體剛度要求，以免因受力變形太大破壞密封，必須把總的位移（三個(gè)方向上的位移矢量和）控制在0.001DN以內(nèi)。該球閥公稱通徑為500mm，所以總位移應(yīng)小于0.5mm。圖5給出的位移矢量和為0.23mm，滿足要求；圖6給出的軸向位移為0.22mm，與閥座相接處的位移的值為0.1mm，不影響密封效果，滿足設(shè)計(jì)要求。
2.3.2大口徑球閥水壓試驗(yàn)壓力下的模擬結(jié)果分析
對(duì)水壓試驗(yàn)工況（試驗(yàn)壓力取7.5MPa）同樣進(jìn)行了三維數(shù)值模擬。限于篇幅不再給出具體圖形，模擬結(jié)果如下：集中在法蘭頸部和閥座與閥體相接密封面處的應(yīng)力值為252.704MPa
<3[σ]=362.07MPa，且小于屈服強(qiáng)度，不會(huì)發(fā)生永久變形，可見滿足要求；閥體位移矢量和為0.43mm，滿足上面提出的要求；軸向位移為0.40mm，與閥座相接處的位移的值為0.23mm，不影響密封效果，同樣滿足設(shè)計(jì)要求。
經(jīng)過ANSYS有限元軟件對(duì)兩種工況（工作狀態(tài)和水壓試驗(yàn)）的數(shù)值模擬，證明所選取的閥體無論是強(qiáng)度還是剛度都滿足要求。為了承擔(dān)其他外來突變載荷和相關(guān)因素的影響，在剛度和強(qiáng)度上留有余量，閥體的厚度不再減小。最終決定閥體的厚度為27mm。
3 結(jié)論
（1）通過6種方法的對(duì)比設(shè)計(jì)，求出閥體的壁厚。從中看出，對(duì)于中低壓球閥，影響閥體壁厚的主要因素是剛度。
（2）對(duì)所設(shè)計(jì)的閥體運(yùn)用ANSYS有限元軟件進(jìn)行三維數(shù)值模擬，結(jié)果表明無論是強(qiáng)度還是剛度都符合設(shè)計(jì)的要求，設(shè)計(jì)合理。
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