高温高压球阀球体的热-结构耦合分析

□ 汪玉凤 □ 柳栋梁 □ 史庆泰

1.兰州理工大学机电工程学院 兰州 730050 2.浙江宣达集团 浙江温州 325100

球阀是一种以球体作为启闭件，可借助手柄或其它驱动装置驱动球体旋转90°，使球体通孔与阀体通道中心线重合或垂直，实现全开或全关动作，常用的球阀从结构上可分为浮动球球阀与固定球球阀两种。球阀的使用非常广泛，在石油天然气、煤化工行业、核工业等方面都有广泛的应用[1]。球阀结构简单，密封性好，能实现快速启闭。球体作为球阀主要的承压件，对整个球阀的使用性能是至关重要的，在生产实践中，球阀球体强度的校核都靠经验或者分析软件进行，对于高温高压球阀，高温产生的热应力对球体材料的性能具有一定的影响，单纯结构分析没有考虑高温对球体的影响是有缺陷的。笔者在有限元结构分析的基础上，应用Workbench进行热-结构耦合分析，对浙江宣达集团某型号900lb球阀的球体在400℃、8 MPa的压力下进行全关闭状态下的结构分析和热-结构耦合分析，为球体的可靠性设计提供理论依据。

1 球体半径的确定

根据密封圈材料的许用比压，按密封面的必须比压计算公式，初步确定密封面的宽度bM：

式中：bM为密封面的宽度，mm；qMF为密封面的必须比压；c为与密封面材料有关的因数，对于铬基硬质合金，c=3.5；K为在给定密封的条件下，考虑介质压力对比压值的影响因数，对于铬基硬质合金，K=0.1；p为公称压力，MPa。

阀座密封圈的材料为铬基硬质合金，许用比压为[q]=150 MPa。 将以上数值代入式（1）中，运算得：

不管球阀处于开启状态还是关闭状态，密封面与球体接触面的宽度都不能小于bM。根据工况，球体强度如需加大，则可适当加大球体直径。最终设计球体直径为247 mm。因不考虑泄压，球阀在关闭时，球体还承受温度和压力的作用，所以只对球体的关闭状态进行结构和热-结构耦合分析。

2 球体有限元模型的建立

固定球球阀体，由两端与球体连接在一起的固定轴承与阀体上的滑动轴承支承，球阀关闭时，在介质压力的作用下，球体不会产生位移[2]。 应用 Solid Works软件建立球体的三维模型，导入有限元分析软件Workbench中，球体材料选用锻造304不锈钢，材料属性见表1，采用自动划分网格，共划分网格节点数为17 450个，网格中的单元数为9 382个，三维模型如图1所示。

▲图1 球体三维图

3 施加约束和载荷

根据有限元分析的要求，必须对有限元模型进行约束，才可使分析具有意义[3]。无论是结构分析还是热-结构耦合分析，对于球体，在介质的压力作用下，阀座密封圈产生位移，在弹簧预紧力作用下，密封圈始终压在球体上，从而保证球阀的密封性能。球阀处于关闭状态时，高温介质将温度和压力直接作用于球体表面，按球体所能承受的最高温度400℃和工作压力8 MPa，对球体进行关闭状态的热-结构耦合分析和常温下的结构分析。

表1 球体材料属性

▲图2 球体温度云图

▲图3 球体结构分析应力图

▲图4 热-结构耦合分析应力图

4 分析求解及结果分析

（1）通过稳态热分析模块，得出球体的稳态温度场分布如图2所示。

（2）对球体进行结构分析，在球阀全关闭状态下，对球体施加8 MPa的压力，所得应力如图3所示。

（3）对球体进行热-结构耦合分析，将热分析所得的温度场加载到球体结构分析中，并且对球体表面施加8 MPa的压力，分析得出应力如图4所示。

由稳态热分析结果可知，介质与球体表面直接接触的位置，球体温度分布如图2所示，球体温度最高达到400℃，球体最低温度为204.25℃。由球体结构分析可知，球体的应力分布如图3所示，球阀处于全关闭状态时，球体在常温下受到8 MPa的压力时最大应力为89.09 MPa，最小应力为0.051 722 MPa，球体材料在常温下的许用应力为137 MPa，结构分析得出球体的最大应力小于材料的许用应力，球体强度符合要求。当温度场作为载荷加载到球体上作结构分析时，在热载荷和结构载荷的共同作用下，球阀处于全关闭状态时，球体的应力分布如图4所示，最大应力出现在球体通道的侧壁处和与阀杆接触处，最大应力为130.25 MPa，最小应力为0.266 72 MPa，球体材料在400℃时的许用应力为107 MPa，球体的最大应力超过材料在400℃的许用应力，球体的强度不符合要求。

对球体尺寸进行设计改进，加大球体的直径至260 mm，此时对球体进行热-结构耦合分析，得出球体的最大应力为89.641 MPa，最小应力为0.648 81 MPa，球体最大应力小于材料的许用应力，强度符合要求。通过以上两种不同边界条件的分析得出，热载荷作用下的最大应力占总应力的31.6%。由此可得，若只考虑单纯的结构分析，对于球体的结构设计并不可靠。

5 总结

建立球体的三维模型，应用有限元软件分别对球体进行结构分析和热-结构耦合分析，得出球体稳态热分析下的温度分布图、结构分析下的应力图，以及在热载荷和结构载荷共同作用下的球体的应力云图。结果表明，球体的应力是由结构载荷和热载荷共同作用下产生的，对球体进行热-结构耦合分析，可确定球体强度。单纯进行结构分析，对于球体强度的校核并不精确，温度载荷作为影响球体应力的重要因素，不能忽略。因此，对球体的热-结构耦合分析，能为球体的可靠性设计提供理论分析依据。

[1]陆培文.阀门设计入门与精通[M].北京：机械工业出版社，2009.

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