极限工况下全焊接球阀的性能研究

韩雪萍 韩 晟 吴 晗

（江苏苏盐阀门机械有限公司，滨海 224500）

管道用全焊接球阀是指启闭件（球体）由阀杆带动，并绕球阀轴线作旋转运动的阀门。它具有流体阻力小、密封性能好、操作方便以及启闭迅速等优点[1]，广泛应用于石化、天然气、冶金、电力以及造纸等行业的输送系统。在实际工作过程中，全焊接球阀会出现一系列问题，如进口端阀座密封面变形、球体变形等。这些问题的出现会加剧球阀的破坏，降低其使用寿命，因此对其进行静力学分析是非常有必要的。

近年来，随着计算机辅助数值模拟计算的发展，计算机辅助数值模拟计算分析已成为了产品开发设计与运行特性研究的重要手段[2]。本文以某公司生产的Q967X-900LB-00型全焊接球阀为例，运用计算机辅助模拟计算的方法，对该类产品中的主要零部件进行有限元分析，以期提高该类产品的技术性能及使用寿命。

1 球阀的主要性能参数

球阀的性能参数主要包括设计压力、强度试验压强、密封试验压强、工作介质温度以及适用介质等，具体参数见表1，球阀模型见图1。

表1 Q967X-900LB-00型全焊接球阀的主要性能参数

图1 球阀三维模型

2 模型的三维建模及数值模拟

2.1 阀体结构三维建模

全焊接阀体结构分筒状结构和球状结构两种。其中：筒状结构是双焊缝结构，焊接过程热量输入大，残余应力复杂，变形量大；球状结构则采用两个球状组合焊接而成，在阀体中间采用单焊缝焊接，故其热量输入较少，变形量较小。同时，球状结构的阀体与筒状结构的阀体相比，质量更轻，成本更低。因此，阀体结构选择球状，阀体材料选择A350 LF2，其许用应力为166 MPa，其三维模型如图2所示。

图2 阀体三维模型

划分阀体模型时，采用自适应网格划分技术对其进行网格划分。由于计算精度依赖于网格划分的数量，则场量变化越剧烈的区域网格划分应越精细[3]。因此，要对边角及曲面过渡区域进行网格细化处理。划分后的模型有525 050个节点，336 651个单元。网格模型如图3所示。

图3 阀体网格模型分布图

2.2 阀体结构数值模拟计算

当阀门处于关闭状态时，阀体中腔和进口流道承受的压力最大，在该工况下的阀体以及袖管所承受的压力最大，此时也是阀体内部的最危险状态[4-5]。因此，应在关闭状态下对阀体进行有限元分析。

依据实际情况约束处于关闭状态下的阀门并进行载荷加载。具体的设置情况为：第一，阀体进口设置为固定约束；第二，阀体出口设置为径向位移约束；第三，阀体进口段内壁面和及阀体中腔壁面的工作压强设置为15.3 MPa；第四，阀体中腔右侧支撑板所接触的环形面处施加介质推力28 275 N；第五，壳体中腔与四开环上表面接触面上的压强设置为18.9 MPa。计算过程中，要记录阀体的应力及变形情况，计算结束后，得到的阀体模型应力分布云图如图4所示，阀体变形分布云图如图5所示。

图4 阀体外壁应力分布图

图5 阀体外壁变形分布云图

通过应力分布云图可以看出，在阀体处于关闭状态时，阀体最大应力主要集中在进口段区域，最大应力达到了388.51 MPa，因此该区域是极易出现应力破坏的区域。同时，进口段区域以外的其他区域，应力值都低于130 MPa，低于许用应力166 MPa。从图5可以看出，阀体最大变形同样出现在进口段中部区域，最大变形量达到了1.121 8 mm，即该区域造成了较大破坏。

2.3 球体结构三维建模

球体支撑分为上下阀杆支撑和枢轴支撑两种方式。前者是将球体车削成内孔，其上下位置由两个支撑轴支撑在阀体上，同时上支撑轴又是传动扭矩的阀杆，因此其处于复合的受力状态；后者的支撑结构轴颈粗而短，所以阀的阻力矩较大。综合考虑，选择枢轴式支撑结构，球体材料为A350 LF2，其许用应力为166 MPa，球体三维模型结构如图6所示。为方便施加载荷及约束，对三维模型进行了分割。对实体三维模型进行网格划分时，采用自动划分网格技术，并对边角及曲面过渡处进行网格细化，以控制网格质量。网格模型如图7所示，其中网格节点数有414 596个，单元数有289 807个。

图6 球体三维模型

图7 球体网格模型

2.4 球体结构数值模拟计算

在阀门运行过程中，阀门关闭瞬间，球体进口端密封面会承受较大的密封比压，出口端密封端则会受到弹簧的弹力作用。同时，球体还会承受密封表面的摩擦扭矩和轴承的摩擦转矩等。因此，此时的球体处于受力最大的时刻，在此时刻下对其进行数值模拟计算结果较为准确。

依据实际情况对处于关闭瞬间时的阀门进行约束以及载荷加载，具体的设置情况为：球体底部施加固定载荷；球体顶部施加Z方向的位移约束；球体进口端密封面施加密封载荷0.55 MPa；出口密封面则设置为受到弹簧弹力4 000 N；球体外壁与介质接触的区域受到的工作压强设置为15.3 MPa；枢轴支撑中的方形槽受到阀杆的转矩为9 800 N·mm。

计算后的应力分布云图如图8所示。可以看出，与阀体的应力分布相比，球体的应力分布比较均匀，没有出现局部应力突变的现象，最大应力为165.8 MPa，低于许用应力166 MPa。球体的变形分布云图如图9所示。可以看出，进口端出现了较大的变形，最大变形量达到了0.62 mm。出口端由于受到弹簧弹力的原因，出现了向内变形的现象，其变形量同样达到了0.53 mm。相较于这两个区域，其他区域的变形极小，可以忽略不计。

图8 球体应力分布云图

图9 球体变形分布云图

2.5 阀座结构三维建模

阀座采用组合密封结构以阻挡固体颗粒的进入，同时阀座可以在阀门处于开启或关闭状态时，实现上游端阀座和下游端阀座同时切断两边介质的功能。阀座的材料同样采用A350 LF2，其许用应力为166 MPa。对其进行三维建模，如图10所示。

图10 阀座三维模型

对实体三维模型进行网格划分时，采用自动划分网格技术，并对边角及曲面过渡处进行网格细化处理，以控制网格质量。网格模型如图11所示，其中网格节点数有68 551个，单元数有43 274个。

图11 阀座网格模型

2.6 阀座结构数值模拟计算

当阀门处于关闭状态时，由于进口端阀座与密封面接触会承受密封比压，与O型圈及密封圈接触部位的表面则会承受工作压力，此时阀座承受的力最大，因此本文将对这一时刻的阀座进行有限元分析。

依据实际情况对处于关闭状态下的阀座进行约束以及载荷加载，具体的设置情况如下：在阀座的进口端施加固定约束；把和介质相接触的面的工作压强设置为15.3 MPa；密封环处施加密封比压4.8 MPa。

计算后的应力分布云图如图12所示。可以看出，阀座最大应力值出现在密封环形槽附近，其值达到了127.82 MPa，低于材料的许用应力166 MPa。阀座变形分布云图如图13所示。可以看出，从阀座的小端到大端，变形量呈现出依次递增的现象，阀座的大端出现了最大变形量，其值达到了0.114 4 mm，密封圈附近的变形量为0.03 mm左右。

图12 阀座应力分布云图

图13 变形分布云图

3 结论

本文通过对阀体、球体、阀座进行有限元分析，得到了在最危险工况下各自的应力和变形分布云图，并得出以下结论：

（1）在阀门处于关闭状态时，阀体进口端区域产生应力集中现象，因此在实际使用过程中要特别关注这些区域，防止应力破坏；

（2）球体和阀座的分析结果显示其应力范围都低于许用应力，且变形量也较小，能够满足实际工作要求。