氧氣切斷球閥有限元分析

2013-08-28 卓育成上海開維喜閥門集團

　　以實例介紹了在氧氣切斷球閥設計中，采用有限元方法對承壓件閥體、球體、閥座、支撐板、閥桿的強度進行的分析，對閥座和球體變形進行計算，解決了承壓件的強度和閥門密封的問題。

　　在傳統閥門設計中，由于計算方法的限制，只能根據材料力學中提供的一些經驗公式進行估算，這種方法不能全面反映閥門的應力狀態，也不能給設計人員指出閥門的薄弱環節和改進方向。隨著計算機技術的發展和力學理論的發展，在閥門整個設計周期中，采用有限元分析進行數值仿真已經走向成熟。

　　氧氣切斷球閥廣泛運用于各種煤氣化裝置以及化工、石化、鋼鐵、冶金、空分等行業。由于介質是氧氣，任何的外泄漏和內泄漏都可能造成劇烈燃燒、爆炸等嚴重后果。因此，對氧氣切斷球閥的設計重點是解決承壓件的強度和閥門密封的問題。

　　本文以NPS14Class600為例，對氧氣切斷球閥承壓件的強度和閥座與球體變形進行有限元分析。

1、氧氣切斷球閥承壓件強度分析

　　有限元分析材料參數見表1。

表1 有限元分析材料參數

1.1、閥體強度有限元分析

　　閥體的壁厚通常采用標準ASMEB16.34簡化公式計算或查表。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構總體不連續，容易引起局部應力集中。同時主閥體與副體采用多個螺栓連接，螺栓孔邊緣也容易引起局部應力集中。因此，需用有限元方法對閥體的強度進行驗證。

1.1.1、許用應力Sm的確定

　　許用應力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。

　　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、幾何模型及網格劃分

　　取主閥體和側閥體作為計算對象，二者通過螺栓連接。在模型中通過無質量剛體及多點約束一起模擬螺栓固定主閥體與側閥體。由于計算中涉及裝配體的接觸分析，為了便于計算，有限元計算模型采用主閥體和側閥體的1/4結構模型。主閥體和側閥體網格劃分，單元類型為Solid45，單元數為43778個，節點數為11435個。

1.1.3、計算結果

　　下頁圖1為主閥體和副閥體在介質壓力10MPa下的應力強度有限元計算云圖。從下頁圖1可看出，主閥體與副閥體連接螺栓孔邊緣產生應力集中現象。

圖1 主閥體和副閥體應力強度有限元計算云圖

1.1.4、應力評定

　　在ASMEBPVC中，給出了分析設計方法，設計的合格性通過考察在各種設計外載荷下的結構行為來進行校核。并提出根據彈性殼體不連續理論，將彈性應力場分解為一次、二次和峰值3種不同的應力，然后以相應的應力強度極限來評定結構強度，該方法能準確分析閥體局部應力集中和整體的結構強度。

　　在ASMEBPVC中，結構強度的判定均采用應力強度，即按第三強度理論計算結構當量強度：應力強度是在給定點上最大主應力和最小主應力的代數差，拉應力為正，壓應力為負。

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

　　(1)PM，校核判據條件：PM≤Sm;

　　(2)PL+Pb，校核判據條件：(PL+Pb)≤1.5Sm;

　　(3)PL+Pb+Q，校核判據條件：(PL+Pb+Q)≤3Sm。

　　PM、PL、Pb和Q均按應力強度進行分解，且當以上3個應力強度校核判據條件同時滿足，則可判斷結構強度安全。氧氣切斷球閥主閥體和副閥體應力評定結果見表2。

表2 氧氣切斷球閥主閥體和副閥體應力評定結果

　　從表2可以看出，氧氣切斷球閥主閥體和副閥體設計是安全的。

1.2、球體強度有限元分析

　　球體主要承受彈簧預緊力和介質壓力(10MPa)產生的作用力。

　　球體采用三維建模方法，網格劃分單元采用Solid45，單元數為18405個，節點數為4441個。球體應力強度有限元計算云圖見圖2。從圖2可看出，球體與閥桿連接處產生應力集中現象。

圖2 球體應力強度有限元計算云圖

　　校核判據條件：σ最大≤σs;σ最大=162MPa，σs=414MPa，評定結果安全。

1.3、閥座強度有限元分析

　　閥座主要承受彈簧預緊力、介質壓力(10MPa)產生的作用力和球體的反作用力。

　　閥座采用三維建模方法，網格劃分單元采用Solid45，單元數為28928個，節點數為36352個。閥座應力強度有限元計算云圖見圖3。從圖3可看出，閥座密封面應力最高。

圖3 閥座應力強度有限元計算云圖

　　校核判據條件：σ最大≤σs;σ最大=142MPa，σs=414MPa，評定結果安全。

1.4、支撐板強度有限元分析

　　氧氣切斷球閥采用固定球支撐板結構，當上游氧氣壓力作用于球體上，推力通過支撐板及時消解于閥體及管線上，不直接作用在閥桿上。閥桿在開關的過程中只承受扭矩，不承受彎矩，延長氧氣切斷球閥的使用壽命。

　　支撐板采用三維建模方法，網格劃分單元采用Solid45，單元數為11894個，節點數為3197個。支撐板固定球體的中間孔180°為受力面，施加力為571015N。支撐板應力強度有限元計算云圖見下頁圖4。從下頁圖4可看出，支撐板固定球體的中間孔處產生應力集中現象。

圖4 支撐板應力強度有限元計算云圖

　　校核判據條件：σ最大≤σs;σ最大=109MPa，σs=241MPa，評定結果安全。

1.5、閥桿強度有限元分析

　　氧氣切斷球閥的閥桿主要用來承受扭矩，要求閥桿的安全系數至少大于2。

　　閥桿采用三維建模方法，網格劃分單元采用Solid45，單元數為23421個，節點數為5641個。為了便于在鍵槽處加載扭矩，在閥桿外構造一個質量點，將質量點與閥桿鍵槽面上的節點剛性聯接，扭矩加載在質量點上，然后傳遞到鍵槽面上。扭矩施加為18200N·m。閥桿應力強度有限元計算云圖見圖5。從圖5可看出，閥桿半圓柱銷孔底部產生應力集中現象。