电厂球阀的结构设计及强度性能仿真

王 伟，李 勇

（1.核工业工程研究设计有限公司，广东阳江 529500；2.中国核工业二三建设有限公司惠州分公司，广东惠州 516200）

0 引言

球阀是改变介质流向、分配流量、阻断流量的装置，其功能类似于开关、切断阀。在电厂生产中，球阀的应用极为广泛，但由于运行环境的特殊性，球阀需要具备良好的耐高温、承受载荷能力，这对球阀设计的材料选取与强度性能校验提出了较高的技术性要求。本文围绕电厂球阀的结构设计以及强度校验展开讨论，从理论基础看，现阶段与电厂球阀的文献研究偏少，研究方向主要集中在球阀密封检测[1-3]、球阀内漏故障的设计改进[4-5]等方面，罗利梅[6]针对高温耐磨球阀的设计进行研究，从工作原理出发，以保证阀门的密封、寿命等为目的，对壁厚、密封力的综合计算方法进行了介绍，并利用公式法验算了阀杆的强度，但未对球阀的强度性能进行仿真分析；杨熙翀等[7]以球体、阀座的摩擦力矩计算为着眼点，以解决球阀出厂测试、运行异常等问题为目标，对球阀设计制造环节内部零件的质量控制进行了讨论，但并未给出系统的设计思路与校验方法。现有文献从不同角度探讨了不同性能球阀的设计问题，提出了球阀设计软件的开发思路，利用公式计算、对比试验等方式给出了有益的建议，而有关球阀结构设计中关键参数的计算、校验与性能指标的校验方法则散见于各类文献资料、专业著作中。对常规球阀设计任务，阀口相关的计算工作可以通过沿用现有的材料力学理论以及简化处理的经验公式来实现，壁厚和压力的确定可以参照某些经验系数，各类文献得出的结论也能够提供有益的参考，但在涉及到特种阀体的超临界、高参数问题时，上述策略将面临失效风险。为此，本文拟从仿真分析的视角出发，审视球阀结构设计中的强度设计、应力分析问题，希望提出一种有效的仿真分析策略，解决特种阀体的设计难题。

1 球阀结构设计

1.1 球体半径R确定

设计球阀首先应确定球体外圆半径R，确定的依据是球体通道直径和介质工作压力P，如图1所示。当α=36°时，，设计DN=25 mm，故实际设计尺寸应满足R实际≥R设计=21.27 mm。

图1 球阀球体半径确定

球阀在达到密封时所需的密封面宽度如图2所示。

图2 球阀密封面宽度

首先要以密封原料的许用比压作为根据，通过必不可少的密封面的比压公式，可根据下式初步算出密封圈的宽度bM：

如果采用聚四氟乙烯制作阀座密封圈，则许用比压为[q]=17.5 MPa；c代表系数相关密封面材料，针对聚四氟乙烯c=1.8，c为密封条件已确定的情况下，参照的影响系数为质压力对比压值，针对聚四氟乙烯，k=0.9。把以上数值代入式（1），经计算得：

上式中p为设计压力，通常取公称压力pN数值的，经计算，bM=0.11。

对于阀座密封圈，用金属圈加固时，许用挤压应力可适当加大。因此无论球阀的状态是开启还是关闭，球体与密封面宽度都要大于bM，L代表两倍于密封面的宽度投影，理应增大的球体半径a。因为，所以，所以必须增加球体直径为，则球体半径，该数值是满足球体密封的最小直径。例如加大球体强度以及球体直径的合理增加。将数据代入，可以求得=21.35 mm，为方便计算，本设计中取R实际=21.5 mm。

1.2 球阀中体最小壁厚计算

依据AP16D-2008和GB/T20173-2006标准要求，对球阀的角焊缝强度有效系数取0.75，即是局部无损检测。也就是中体和颈部的焊接，属于角焊缝，只能做表面无损检测，即MT或PT，不能做射线无损检测，也不能做超声波无损检测[8-9]。因此，角焊缝的强度有效系数才取0.75，也就是用加厚壁厚，增加焊缝深度，来弥补由于焊缝不能进行全面100%的射线检测可能出现的缺陷。

因此，全焊接球阀中体和左、右体的最小壁厚的计算，按GB/T12224-2005标准计算最小壁厚应为：

式中：tB为考虑内压的最小计算壁厚，mm；pN为公称压力数值，取63；S为应力系数，取48.3 MPa；DN为阀体中腔最大内径，取15 mm；E为焊缝强度有效系数，取0.75；k为系数，当pN=63时，k=0.91；C1为附加裕量，由pN和DN共同确定，这里取2.63 mm。

将数据代入可以计算得tB=3.40 mm，综合考虑在设计时最小壁厚取5 mm。

1.3 阀体最小壁厚校核

1.3.1 校核一次薄膜应力

通过介质压力对阀体的作用，高应力区呈现在阀体中腔与流道的连接的地方，拐角区一次薄膜应力校核参考ASME III-NB分卷的压力面积法[10]。

针对阀体一次薄膜整体的应力，其所使用的标准计算压力Ps需依据ASME B16.34插值获取与材料相关的压力-温度（260℃）基准值：

其中，P1=3.34 MPa，为球阀原料316Ti在250℃、Class300下的基准值；P2=3.16 MPa，为阀体材料316Ti在250℃、Class300下的基准值；Ps=3.304 MPa。

球阀一次薄膜应力整体强度的判断：

式中：Am为金属界线面积，Am=750.77mm2；Af为流体界线面积，Af=1 566.60 mm2。

计算可得，Pm=8.55 MPa＜[σ]=123.4 MPa（260℃下，316Ti的许用应力），所以一般状态下能够符合设计标准。

1.3.2 校核一次薄膜应力加弯曲应力

应用标准在A级的情况下，球阀进行校核一次薄膜应力加弯曲应力公式为：Pm+Peb＜1.5SPm为一次薄膜应力，Pm=8.55 MPa；Peb为弯曲应力，；Cb=0.115，由于Cb≤1，取Cb=1；，f0=137.9 MPa，故Fb=1205.9。

Gb为危险截面弯曲的断面模数：

S为260℃状态下管道材料屈服强度，材料未知，取S=200 MPa；又Gb=42 573.98；Peb=5.3 MPa；故Pm+Peb=13.85＜1.5[σ]=5.3 MPa，满足要求。

2 球阀阀口强度的有限元仿真分析

在构成阀口的构件中，阀体是最关键的环节，承担着流动渠道和承受压力的重要功能[11]。分析阀体的作业环节，工作流体一直冲击内壁，在阀口工作过程中，阀体的内壁受到工作流体冲击，垫片力和螺栓力都由不同的法兰分别承受，同时在关闭阀门后，阀座又要遭受密封力的冲击[12]。另外，阀体更要应对工作介质的水温波动、水击、振动等形成的附加力，除了各种力的施压，还要面临工作介质的冲击和腐蚀。

基于球阀表现比较复杂的工况，针对阀体应力的布置必须重视解决两个问题：（1）应力集中问题；（2）最大应力位置。应力集中与球阀的结构有关，局部区域形成的高应力是最大的威胁，也影响承载能力的提升。可能出现应力相对集中区域包括阀体与板筋及法兰相连的位置、阀座底部倒圆角以及厚壁变化的地方等。最大应力位置是阀体设计的重点，在初步确定设计方案后，需要通过强度校核结果来客观判断阀体是否能够运行。若最大应力位置承受的实际应力超出材料本身的强度极限，则装置的运行势必会受到影响。设计过程中，载荷分布差异以及球阀的构造等因素，都可对应力分布情况产生影响。

2.1 有限元仿真分析步骤

对于本文介绍的仿真有限元分析法，第一个步骤就是建立模型，其目的就是构建一个可以表现实际原型设计的数学模型。建模的步骤也是整体系统的预处理过程，为后续的数据运算提供全面的初始数据，比如单元、节点和界线条件等。因为模型的构建方式可以左右数值运算的精度，而且整个仿真分析时间72%都花费在模型建立上，所以，建模的质量和效率是整体有限元仿真分析质量优劣的关键因素。

本文研究的第一步就是建立阀体的实体模型，以此为依据构建仿真分析模型，可以通过以下步骤进行。

（1）三维模型构建。基于ANSYS的三维建模有构建实体模型以及直接生成两种策略。后者需要操作者手动入手各个节点的坐标，需要提前对拟建模型的单元规格、各部分之间的内在联系等要素进行综合考虑，提前完成各种相关计算，且直接生成的模型具有高差错风险、难以调整等特点，在仿真分析中并不常用，一般只用于简单模型的构建。本研究针对球阀设计，球阀模型属于复杂模型，考虑使用构建实体模型法，按照组建几何模型→划分网格→生成有限元模型的次序有序构建三维模型。出于算法层面的考虑，本球阀的几何模型使用Solidworks完成构建，具体如图3～4所示。需要说明的是，阀口的建模难度偏高，计算量、占用内存空间较大，且阀口仿真不是此次研究的重点，故本模型对其进行了适当简化。

图3 球阀整体三维图

图4 阀体剖面图

将三维模型导入Solidworks中，以sat格式保存文件，在有限元仿真软件中将文件输入。

（2）设定有限元仿真条件。分析类型为structural，单元为solid187；各项同性材料等同于阀体，杨氏模量E=2.1×105MPa，泊松比μ=0.26，同时根据重力影响，给出密度ρ=7.85 g/cm3，重力加速度9.8 m/s2；智能网格可以设定最精细的一级，控制整体的单元规格为5 mm；固定两端面的同时进行Y向剖面固定；进行载荷和约束的施加；进行全约束法兰断面，以Y向约束剖面。将适宜的压力和载荷施加到流体与阀口接触面；本次采用PCG预条件共扼梯度法作为阀口的有限元仿真分析求解器。

（3）结果分析。在笛卡尔坐标系中检查模型中各个节点的具体情况，参考模拟结构，确定测试坐标，并根据应力值、应变和云图的变形情况，进行阀口承载状况的分析。

（4）材料属性的确定。可以设定运算系统中阀口应用的材料等同于各项同性材料，在进行阀口应力分析过程中不仅要确定泊松比，更要考虑阀口材料的弹性模量、密度等因素。

（5）划分智能网格。划分网格单元的原则为“粗划分适用均匀的应力区，细化分适宜应力梯度大的区域”，对球阀的网格划分结果如图5所示。

图5 模型的网格划分结果

（6）施加约束和载荷。ANSYS软件允许在有限元或者实体模型上施加载荷，而载荷方式的选择不会对作用结果产生影响，初始化完成后，载荷作用可以顺利地转换至模型上。与在有限元模型上施加约束、载荷的方式相比，直接作用于实体模型不受网格限制，且操作简单，因此，本研究考虑直接作用于实体模型的策略，将全约束施加至法兰断面，Y向约束施加到剖面上。将压力载荷施加到流体和阀口内的接触面上。必须考虑重力原因，将Z向重力加速度设定为9.8 m/s2。

（7）求解计算。本研究采用PCG预条件共扼梯度法作为求解器，因为该方式最符合精细网格模型和实体模型的求解，在有限元软件家族中占据重要地位。

综上所述，本研究的有限元仿真设定以下条件：结构静力学模型，单元为solid187；阀体材料的杨氏模量E=2.1×105MPa，泊松比μ=0.26，密度ρ=7.85 g/cm3，重力加速度9.8 m/s2；设定的智能网格为一级，总体的单元规格限定在5 mm；通过三相固定两端面，以Y向固定剖面；求解器采用共扼梯度法PCG。

2.2 有限元仿真结果分析

球阀阀体壁厚9 mm，阀体材料为WCB，全称为“可焊高温用碳素钢铸钢”，根据ASTMA216标准，其抗拉强度σb=485～655 MPa、屈服强度σs=250 MPa，杨氏模量E=2.1×105MPa，泊松比μ=0.26，密度ρ=7.85 g/cm3。球体材料A105+ENP用ENP工艺处理的锻钢，其抗拉强度σb≥540 MPa、屈服强度σs≥315 MPa，杨氏模量为E=2.1×105MPa，泊松比μ=0.26，密度ρ=7.85 g/cm3。

材料的许可破坏应力除以安全系数，就可以求解出材料的许用应力，我国的相关标准中规定抗拉强度安全系数的最小值为3，而屈服强度的最小值为1.6。因此，针对许用应力，WCB材料为[σ]=156 MPa，球体材料A105+ENP为[σ]=196 MPa。设定球阀在Z向重为加速度为9.8 m/s2，压力载荷为P=2 MPa时的应力云图。

（1）球阀的等效应力分布

第三强度理论认为，在材料承受的应力强度超过其许用应力之后，材料将出现屈服破坏现象。而根据第四强度理论，排除温度变化带来的影响，在静载条件下，弹性体的受力达到一定条件出现明显变形后，可出现材料破坏现象，而畸变能密度在这一过程中有着关键作用。等效应力类似于上述的畸变能密度，材料破坏表现如下的强度条件：

式中：σ1,σ2,σ3分别为3种主应力；[σ]为材料的许用应力。

如图6所示，球体的最大应力区为内壁中部和底部，应力最大值为26.29 MPa，明显低于WCB材料的许用应力。

图6 球阀的等效应力云图

（2）球阀的环向应力分布

图7所示为球阀的环向应力云图，由图可知，有较大应力在球体内壁中，最大应力为8.60 MPa，许用应力明显低于WCB材料。

3 结束语

特种球阀的结构设计是电厂球阀设计的难点，既往的公式估算方法以及经验系数在面对特种球阀设计任务时容易出现失效现象。本研究从现有电厂球阀的结构设计经验出发，对设计过程中的球径、阀体最小壁厚参数计算进行了说明，并对球阀强度性能的方针分析做了讨论，提出了一种能够有效应用于球阀强度校验的仿真分析方法。从校验原理与分析结果来看，本研究提出的有限元仿真分析方法能有效处理特种球阀的强度校验问题，根据球阀设计的实际要求，合理确定有限元仿真分析的条件，软件输出的等效应力云图、环向应力云图将帮助设计人员准确地判断球阀的设计强度，规避球阀设计缺陷。

图7 球阀的环向应力云图