氧氣切斷球閥有限元分析

2013-08-28 卓育成上海開(kāi)維喜閥門(mén)集團

　　以實(shí)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(jìn)行的分析，對閥座和球體變形進(jìn)行計算，解決了承壓件的強度和閥門(mén)密封的問(wèn)題。

　　在傳統閥門(mén)設計中，由于計算方法的限制，只能根據材料力學(xué)中提供的一些經(jīng)驗公式進(jìn)行估算，這種方法不能全面反映閥門(mén)的應力狀態(tài)，也不能給設計人員指出閥門(mén)的薄弱環(huán)節和改進(jìn)方向。隨著(zhù)計算機技術(shù)的發(fā)展和力學(xué)理論的發(fā)展，在閥門(mén)整個(gè)設計周期中，采用有限元分析進(jìn)行數值仿真已經(jīng)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(yè)。由于介質(zhì)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(diǎn)是解決承壓件的強度和閥門(mén)密封的問(wèn)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(jìn)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(jiàn)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(jiǎn)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(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力集中。因此，需用有限元方法對閥體的強度進(jìn)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(wǎng)格劃分

　　取主閥體和側閥體作為計算對象，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(wǎng)格劃分，單元類(lèi)型為Solid45，單元數為43778個(gè)，節點(diǎn)數為11435個(gè)。

1.1.3、計算結果

　　下頁(yè)圖1為主閥體和副閥體在介質(zhì)壓力10MPa下的應力強度有限元計算云圖。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A(yíng)SMEBPVC中，給出了分析設計方法，設計的合格性通過(guò)考察在各種設計外載荷下的結構行為來(lái)進(jìn)行校核。并提出根據彈性殼體不連續理論，將彈性應力場(chǎng)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(lái)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A(yíng)SMEBPVC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(diǎn)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(chǎng)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(chǎn)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(jìn)行分解，且當以上3個(gè)應力強度校核判據條件同時(shí)滿(mǎn)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(jiàn)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(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，單元數為18405個(gè)，節點(diǎn)數為4441個(gè)。球體應力強度有限元計算云圖見(jiàn)圖2。從圖2可看出，球體與閥桿連接處產(chǎn)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(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，單元數為28928個(gè)，節點(diǎn)數為36352個(gè)。閥座應力強度有限元計算云圖見(jiàn)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(guò)支撐板及時(shí)消解于閥體及管線(xiàn)上，不直接作用在閥桿上。閥桿在開(kāi)關(guān)的過(guò)程中只承受扭矩，不承受彎矩，延長(cháng)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，單元數為11894個(gè)，節點(diǎn)數為3197個(gè)。支撐板固定球體的中間孔180°為受力面，施加力為571015N。支撐板應力強度有限元計算云圖見(jiàn)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(lái)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(wǎng)格劃分單元采用Solid45，單元數為23421個(gè)，節點(diǎn)數為5641個(gè)。為了便于在鍵槽處加載扭矩，在閥桿外構造一個(gè)質(zhì)量點(diǎn)，將質(zhì)量點(diǎn)與閥桿鍵槽面上的節點(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。閥桿應力強度有限元計算云圖見(jiàn)圖5。從圖5可看出，閥桿半圓柱銷(xiāo)孔底部產(chǎn)生應力集中現象。