以實(shí)例介紹了在氧氣切斷球閥設(shè)計(jì)中，采用有限元方法對(duì)承壓件閥體、球體、閥座、支撐板、閥桿的強(qiáng)度進(jìn)行的分析，對(duì)閥座和球體變形進(jìn)行計(jì)算，解決了承壓件的強(qiáng)度和閥門密封的問(wèn)題。

　　在傳統(tǒng)閥門設(shè)計(jì)中，由于計(jì)算方法的限制，只能根據(jù)材料力學(xué)中提供的一些經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行估算，這種方法不能全面反映閥門的應(yīng)力狀態(tài)，也不能給設(shè)計(jì)人員指出閥門的薄弱環(huán)節(jié)和改進(jìn)方向。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和力學(xué)理論的發(fā)展，在閥門整個(gè)設(shè)計(jì)周期中，采用有限元分析進(jìn)行數(shù)值仿真已經(jīng)走向成熟。

　　氧氣切斷球閥廣泛運(yùn)用于各種煤氣化裝置以及化工、石化、鋼鐵、冶金、空分等行業(yè)。由于介質(zhì)是氧氣，任何的外泄漏和內(nèi)泄漏都可能造成劇烈燃燒、爆炸等嚴(yán)重后果。因此，對(duì)氧氣切斷球閥的設(shè)計(jì)重點(diǎn)是解決承壓件的強(qiáng)度和閥門密封的問(wèn)題。

　　本文以NPS14Class600為例，對(duì)氧氣切斷球閥承壓件的強(qiáng)度和閥座與球體變形進(jìn)行有限元分析。

1、氧氣切斷球閥承壓件強(qiáng)度分析

　　有限元分析材料參數(shù)見表1。

表1 有限元分析材料參數(shù)

1.1、閥體強(qiáng)度有限元分析

　　閥體的壁厚通常采用標(biāo)準(zhǔn)ASMEB16.34簡(jiǎn)化公式計(jì)算或查表。但是，氧氣切斷球閥主閥體通道與閥桿相交處屬于典型的結(jié)構(gòu)總體不連續(xù)，容易引起局部應(yīng)力集中。同時(shí)主閥體與副體采用多個(gè)螺栓連接，螺栓孔邊緣也容易引起局部應(yīng)力集中。因此，需用有限元方法對(duì)閥體的強(qiáng)度進(jìn)行驗(yàn)證。

1.1.1、許用應(yīng)力Sm的確定

　　許用應(yīng)力Sm取σb/n1與σS/n2兩者中的較小值，n1與n2分別是σb和σS的安全系數(shù)。

　　取σb=552MPa，n1=2.6，則Sm=σb/n1=212MPa;

　　取σS=241MPa，n2=1.65，則Sm=σS/n2=146MPa;

　　取兩者中較小的值：Sm=146MPa;1.5Sm=219MPa;3Sm=438MPa。

1.1.2、幾何模型及網(wǎng)格劃分

　　取主閥體和側(cè)閥體作為計(jì)算對(duì)象，二者通過(guò)螺栓連接。在模型中通過(guò)無(wú)質(zhì)量剛體及多點(diǎn)約束一起模擬螺栓固定主閥體與側(cè)閥體。由于計(jì)算中涉及裝配體的接觸分析，為了便于計(jì)算，有限元計(jì)算模型采用主閥體和側(cè)閥體的1/4結(jié)構(gòu)模型。主閥體和側(cè)閥體網(wǎng)格劃分，單元類型為Solid45，單元數(shù)為43778個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)為11435個(gè)。

1.1.3、計(jì)算結(jié)果

　　下頁(yè)圖1為主閥體和副閥體在介質(zhì)壓力10MPa下的應(yīng)力強(qiáng)度有限元計(jì)算云圖。從下頁(yè)圖1可看出，主閥體與副閥體連接螺栓孔邊緣產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。

圖1 主閥體和副閥體應(yīng)力強(qiáng)度有限元計(jì)算云圖

1.1.4、應(yīng)力評(píng)定

　　在ASMEBPVC中，給出了分析設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)的合格性通過(guò)考察在各種設(shè)計(jì)外載荷下的結(jié)構(gòu)行為來(lái)進(jìn)行校核。并提出根據(jù)彈性殼體不連續(xù)理論，將彈性應(yīng)力場(chǎng)分解為一次、二次和峰值3種不同的應(yīng)力，然后以相應(yīng)的應(yīng)力強(qiáng)度極限來(lái)評(píng)定結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，該方法能準(zhǔn)確分析閥體局部應(yīng)力集中和整體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

　　在ASMEBPVC中，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的判定均采用應(yīng)力強(qiáng)度，即按第三強(qiáng)度理論計(jì)算結(jié)構(gòu)當(dāng)量強(qiáng)度：應(yīng)力強(qiáng)度是在給定點(diǎn)上最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力的代數(shù)差，拉應(yīng)力為正，壓應(yīng)力為負(fù)。

　　彈性應(yīng)力場(chǎng)可分解為一次應(yīng)力、二次應(yīng)力Q、三次應(yīng)力和峰值應(yīng)力。一次應(yīng)力又可分為一次總體薄膜應(yīng)力PM、一次局部薄膜應(yīng)力PL和一次彎曲應(yīng)力Pb。由于閥體所承受載荷是非周期性的載荷，對(duì)閥體產(chǎn)生破壞的是一次應(yīng)力和二次應(yīng)力，峰值應(yīng)力的影響可不予考慮，根據(jù)ASMEBPVC規(guī)范要求，只需要校核：

　　(1)PM，校核判據(jù)條件：PM≤Sm;

　　(2)PL+Pb，校核判據(jù)條件：(PL+Pb)≤1.5Sm;

　　(3)PL+Pb+Q，校核判據(jù)條件：(PL+Pb+Q)≤3Sm。

　　PM、PL、Pb和Q均按應(yīng)力強(qiáng)度進(jìn)行分解，且當(dāng)以上3個(gè)應(yīng)力強(qiáng)度校核判據(jù)條件同時(shí)滿足，則可判斷結(jié)構(gòu)強(qiáng)度安全。氧氣切斷球閥主閥體和副閥體應(yīng)力評(píng)定結(jié)果見表2。

表2 氧氣切斷球閥主閥體和副閥體應(yīng)力評(píng)定結(jié)果

　　從表2可以看出，氧氣切斷球閥主閥體和副閥體設(shè)計(jì)是安全的。

1.2、球體強(qiáng)度有限元分析

　　球體主要承受彈簧預(yù)緊力和介質(zhì)壓力(10MPa)產(chǎn)生的作用力。

　　球體采用三維建模方法，網(wǎng)格劃分單元采用Solid45，單元數(shù)為18405個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)為4441個(gè)。球體應(yīng)力強(qiáng)度有限元計(jì)算云圖見圖2。從圖2可看出，球體與閥桿連接處產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。

圖2 球體應(yīng)力強(qiáng)度有限元計(jì)算云圖

　　校核判據(jù)條件：σ最大≤σs;σ最大=162MPa，σs=414MPa，評(píng)定結(jié)果安全。

1.3、閥座強(qiáng)度有限元分析

　　閥座主要承受彈簧預(yù)緊力、介質(zhì)壓力(10MPa)產(chǎn)生的作用力和球體的反作用力。

　　閥座采用三維建模方法，網(wǎng)格劃分單元采用Solid45，單元數(shù)為28928個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)為36352個(gè)。閥座應(yīng)力強(qiáng)度有限元計(jì)算云圖見圖3。從圖3可看出，閥座密封面應(yīng)力最高。

圖3 閥座應(yīng)力強(qiáng)度有限元計(jì)算云圖

　　校核判據(jù)條件：σ最大≤σs;σ最大=142MPa，σs=414MPa，評(píng)定結(jié)果安全。

1.4、支撐板強(qiáng)度有限元分析

　　氧氣切斷球閥采用固定球支撐板結(jié)構(gòu)，當(dāng)上游氧氣壓力作用于球體上，推力通過(guò)支撐板及時(shí)消解于閥體及管線上，不直接作用在閥桿上。閥桿在開關(guān)的過(guò)程中只承受扭矩，不承受彎矩，延長(zhǎng)氧氣切斷球閥的使用壽命。

　　支撐板采用三維建模方法，網(wǎng)格劃分單元采用Solid45，單元數(shù)為11894個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)為3197個(gè)。支撐板固定球體的中間孔180°為受力面，施加力為571015N。支撐板應(yīng)力強(qiáng)度有限元計(jì)算云圖見下頁(yè)圖4。從下頁(yè)圖4可看出，支撐板固定球體的中間孔處產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。

圖4 支撐板應(yīng)力強(qiáng)度有限元計(jì)算云圖

　　校核判據(jù)條件：σ最大≤σs;σ最大=109MPa，σs=241MPa，評(píng)定結(jié)果安全。

1.5、閥桿強(qiáng)度有限元分析

　　氧氣切斷球閥的閥桿主要用來(lái)承受扭矩，要求閥桿的安全系數(shù)至少大于2。

　　閥桿采用三維建模方法，網(wǎng)格劃分單元采用Solid45，單元數(shù)為23421個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)為5641個(gè)。為了便于在鍵槽處加載扭矩，在閥桿外構(gòu)造一個(gè)質(zhì)量點(diǎn)，將質(zhì)量點(diǎn)與閥桿鍵槽面上的節(jié)點(diǎn)剛性聯(lián)接，扭矩加載在質(zhì)量點(diǎn)上，然后傳遞到鍵槽面上。扭矩施加為18200N·m。閥桿應(yīng)力強(qiáng)度有限元計(jì)算云圖見圖5。從圖5可看出，閥桿半圓柱銷孔底部產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。

圖5 閥桿應(yīng)力強(qiáng)度有限元計(jì)算云圖

　　校核判據(jù)條件：σ最大≤0.5σs;σ最大=197MPa，0.5σs=517MPa，評(píng)定結(jié)果安全。

2、氧氣切斷球閥閥座和球體變形分析

　　氧氣切斷球閥密封的基本原理是：在介質(zhì)壓力作用下，閥座材料產(chǎn)生的變形可以彌補(bǔ)球體變形以及球體的不圓度和粗糙度。假設(shè)A—閥座材料變形;B—球體變形;C—球體圓度誤差;閥門密封必須滿足：A>B+C，A、B、C均為絕對(duì)值。

2.1、球體變形B計(jì)算

　　在介質(zhì)壓力作用下，由于球體壁厚不均勻，球體密封面上的壓縮變形量也是不均勻的，因此將壓縮變形差作為球體的變形量。球體變形計(jì)算結(jié)果見圖6。球體在密封面相對(duì)球體中心徑向變形B為0.031mm。

圖6 球體變形計(jì)算結(jié)果

2.2、閥座變形A計(jì)算

　　閥座變形A計(jì)算結(jié)果見圖7。閥座在密封面相對(duì)球體中心徑向變形A為0.136mm。

圖7 閥座變形計(jì)算結(jié)果

2.3、分析及結(jié)果

　　假設(shè)球體圓度誤差C=0.020mm，則：A=0.136mm，B+C=0.031+0.02=0.051mm，滿足：A>B+C。因此氧氣切斷球閥在關(guān)閉狀態(tài)，完全能夠保證密封。

3、結(jié)論

　　氧氣切斷閥的承壓件通過(guò)有限元分析，強(qiáng)度安全可靠。通過(guò)對(duì)閥座和球體的變形計(jì)算，來(lái)分析氧氣切斷球閥的密封問(wèn)題。在氧氣切斷閥設(shè)計(jì)中，采用有限元分析方法，大大縮短了產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期和試驗(yàn)成本，提高設(shè)計(jì)水平和產(chǎn)品質(zhì)量。