高温高压大口径金属固定球阀数值模拟计算

徐佳琦+陆心怡++陈玉

摘 要：阀门广泛应用于国民经济的各个主要领域，是能源、石化、冶金、电力等行业装备、机械与管线等固定资产中的关键设备之一。文章应用Ansys对大口径石油管道内高温高压金属固定球阀进行计算机辅助数值模拟计算与分析，为阀门产品改进设计提供理论参考依据。

关键词：计算机辅助数模分析；球阀；Ansys

1 概述

阀门是流体控制系统的关键设备之一，一般应用于液态或气态流体控制环境，因此阀门广泛的应用于设计流体控制的各个工业細分领域。目前，主要的阀门应用领域包括：石油天然气、电力、化工、自来水和污水处理、造纸、冶金、制药、食品、采掘、有色金属、电子等行业。其中，石油天然气、能源电力和化工领域是阀门最重要的应用领域。

阀门产品市场随着科学技术的不断发展，也在向高技术含量、高参数、耐强腐蚀、高寿命方向发展。根据对国内外阀门技术和市场需求可分析近年来国内阀门行业高新技术发展趋势及投资方向。

本文以国内阀门行业未来将重点发展的石油管道球阀在长久持续运行时各零部件强度和膨胀变形相关技术难题为案例，应用Ansys对石油管道高温高压大口径金属固定球阀进行计算机辅助数值模拟计算与分析，为阀门产品改进设计提供理论参考依据。

2 高温高压大口径金属固定球阀的计算机辅助设计计算分析

2.1 阀门参数

驱动形式：电动。

漏量按ISO 5208-2008《工业用阀门 金属阀门的压力试验》 D级。

主要部件采用的材料：S32590高温、高强度不锈钢，密度为7.88kg/m3，杨氏模量为206GPa，泊松比为0.3，热膨胀系数为18。

球阀性能指标：工作温度610℃，工作介质为气、烃类，工作压力为8.25MPa，常温强度试验压力为37.5MPa，介质为水。

2.2 用Soildworks进行建模

如图1所示，为国内某企业所研发的石油管道高温高压大口径金属硬密固定球阀设计方案。

2.3 使用Ansys软件对球阀进行计算

对球阀整体进行常温高压密封试验，试验压力为37.5MPa。使用Ansys软件对球阀整体进行处理。首先进行网格划分，打开Ansys meshing对球阀进行网格划分，再对其进行固定，在Support中选择Fixed Support，对球阀底座进行固定。

在球阀内部加37.5MPa的压力。最后在Static Structural下方的Solution选择Equivalent Elastic Strain，如图2所示，通过solve得到应变分布。

最大变形出现在侧阀体上，最大变形为3.7354×10-3mm，最大压强为733.11MPa。

3 结论

通过对球阀整体进行数值模拟计算分析可见：

（1）球体内因为温度较高而使其内部受力不均匀，虽然产生了一定的变形，但仍够满足材料使用和设计要求。

（2）计算分析说明运行温度条件对材料变形的影响大于运行压力对材料变形的影响，改进设计时应尽量选用温度对材料影响比压力对材料的影响小的材料。

（3）石油管道高温高压球阀设计计算分析验证了此阀门在高温高压下可以长久持续运行，其安全性和可靠性能够得到充分保障。

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