基于谱分析的全焊接球阀抗震特性分析

吴胜，刘惺，何庆中，梅静，胡冬

（1.四川化工职业技术学院，四川 泸州 646000；2.四川轻化工大学 机械工程学院，四川 宜宾 644000）

0 引言

地震是造成天然气运输管线出现事故的重要原因之一。线路截断阀（室）是安装在天然气管线的重要设备，能够在紧急时刻或者维修时截断天然气供应，按照国内外标准[1-4]，在天然气输送线上线路截断阀（室）的安装距离不得大于30 km，仅“川气东送”管线工程沿线就设有截断阀（室）74座，因此作为截断阀（室）内关键部件全焊接球阀在地震中的安全性是人们重点关注的对象。

目前较多学者对阀门在地震灾害下的安全性进行了研究，如董学莲等[5]为确定核一级楔形双闸板闸阀的抗震性能，利用等效静力法计算了该核电闸阀在设计工况、温度、自重等载荷下的抗震性能，同时为了减小载荷叠加产生的误差，采用SRSS法对计算结果进行振型组合，并结合ASME规范对危险位置进行评定，结果表明该闸阀在地震灾害下不会发生破坏。刘平等[6]通过理论分析，确定了“华龙一号”主给水隔离闸阀的重心、危险截面及一阶固有频率，从理论的角度分析了采用卡箍结构的好处，然后对结构进行有限元分析，并将有限元分析结果与理论推导计算结果对比验证，据此提出了一种通过改善结构固有频率来保证阀门抗震性能的结构，然后搭载地震静力试验台，验证了该结构的合理性。李树勋等[7]为确保全焊接球阀在地陷、山体滑坡等情况下具有足够的强度和密封性，提出用于理论推导的分析模型，理论推导得到球阀在外载荷作用下的最大弯曲载荷；然后将理论计算结果同仿真结果进行对比，验证了理论推导的正确性。

目前国内外对于机械结构抗震的分析计算主要有3种方法：等效静力法、振型分解反应谱法和时程分析法。等效静力法不考虑结构的弹塑性变形，它将复杂的地震载荷等效为3个方向上的惯性力施加在结构上，求得结构的地震响应；等效静力法不能反映结构的动力特性，同时计算结果较保守。时程分析法考虑了结构的弹塑性变形，能够反映结构的动力特性，但计算复杂且时间长，一般只用于大型重要结构的补充校核计算。振型分解反应谱法能在一定程度上反映结构的动力特性，同时计算又简单、省时，是目前结构抗震最常用的方法。因此本文采用振型分解反应谱法计算某公司生产的全焊接球阀的地震响应，研究全焊接球阀的自振特性及在地震中结构的受力特点[8]。

1 振型分解反应谱法

振型分解反应谱法是利用单自由度体系的抗震加速度设计反应谱、振型分解及其振型正交性原理，进而来计算多自由度体系地震响应的计算方法。本文使用考虑扭转耦联的振型分解反应谱法，先求解结构各阶振型的等效地震响应，然后对各阶振型的地震响应按一定的方式进行组合，最终得到多自由度体系的地震响应。结构i阶振型在j质点的单向地震作用按下式计算[9]：

式中：Fij为i阶振型下j质点的单向地震惯性力；Mij为i阶振型j质点的弯矩；αi为对应i阶振型自振周期的地震影响系数，通过查找建筑抗震设计规范的设计反应谱曲线得到；Xij为i阶振型下j质点的单向位移；rj为j质点绕该方向转动轴的惯性半径；φij为j阶振型下i质点的相对转角；Gj为质点i的质量。

由式（1）、式（2）可求得结构各质点在各阶振型下的地震响应，然后将求得的地震载荷施加在结构上，计算得到结构各质点的内力及位移，最终得到整个结构的应力和位移。利用振型分解反应谱法进行抗震分析计算时，振型数量的选取对计算结果精确度有较大的影响，根据参考文献[10]～[12]，当结构的振型的质量累计分数达到1时，即可保证计算结果有较高的精度。

2 计算模型及边界条件

本文以某公司生产的全焊接管线球阀为分析计算模型，该球阀主要由阀体、阀杆、球体、压盖等组成，建模时忽略对计算影响不大的结构及特征，并且将执行结构等效为一个有质量的点加载在执行机构重心位置；同时为使计算结果更接近真实，在阀体两端增加5倍管径长的管线；建立三维模型并利用ANSYS 划分网格（如图1）。全焊接球阀管线系统工作介质压力为10.7 MPa，温度为20 ℃；阀盖、阀座、阀芯和阀杆等主要承压构件材料为A694-F65，管道材料为X80，材料物理属性如表1所示。

表1 全焊接球阀主要材料属性

图1 全焊接球阀网格

边界约束条件对全焊接管线球阀的频率和模态振型有较大的影响，因此，为保证模态分析结果准确可靠，根据全焊接管线球阀实际安装工况设置约束条件。在使用全焊接管线球阀时，通过螺栓将阀座连接在地面上，两侧与管道焊接；因此，球阀底座采用固定约束，球阀两端采用位移约束，分别限制管道两侧竖直方向和径向的运动；在阀门的对称面上添加对称约束，对称方向为Z轴方向。

3 反应谱的选取

目前还没有关于天然气管线及其关键设备的抗震规范，因此参考《建筑抗震设计规范》中的规范反应谱[13-15]。为使计算结果更接近真实情况，首先根据汶川地震制作规范反应谱，从PEER （Pacific Earthquake Engineering Research Center）地震数据库选取真实的地震记录，然后利用MATLAB软件编程计算得到的结构阻尼比ζ=0.05%的三向标准加速度反应谱，如图2所示；其中纵向表示管道轴线方向，横向表示水平垂直管道轴线的方向，竖向表示重力加速度的方向。利用 MATLAB中的快速傅里叶变换（FFT） 计 算得到ANSYS计算所需的频域数据，结果如图3 所示。

图2 加速度反应谱

图3 地震载荷分析果

4 振型分解反应谱计算

4.1 结构自振特性分析

系统的自振特性主要由固有频率和振型组成，自振特性决定了系统对地震的响应。本文利用ANSYS 软件中的分块Lanczos 算法计算得到球阀前10阶模态信息，结果如表2所示，文中仅给出前6阶模态信息。根据表2可以发现，球阀的前6阶振型的质量累计分数已经达到1，满足分析计算要求。

表2 球阀前6阶模态信息

由表2可以看出结构的自振频率相近，因此在施加单向地震载荷的时候采用完全二次项组合（CQC）法对各阶振型的最大内应力及位移进行组合[10]，同时由于三向的地震激励的谱曲线较近似，在施加三向地震载荷时，采用多方向绝对之和（ABS）法对各阶振型的最大内应力及位移进行组合[16-19]。

4.2 振型分解反应谱分析结果

利用ANSYS的Response Spectrum模块分别计算三向地震载荷和组合载荷时的结构响应，计算出在地震载荷下球阀的最大应力及变形，同时利用Static Structure模块计算球阀在内压、温度、自重载荷下的最大应力及位移，最后按照同方向叠加，得到球阀最大应力及位移分布，如图3所示。

从图3可以看出，在横向、纵向及三向地震载荷下，球阀的最大应力都出现在阀体与管道连接处；根据李树勋等[7]的研究，由于结构突变、材料等因素，球阀在球体与管道连接处为球阀结构最薄弱的部分，因此分析结果与理论相符合；而在竖向地震载荷下，球阀的最大应力出现在球体与支撑板连接处，这是由于在竖向地震载荷下，由于球体惯性大，在球体和支撑板的连接处产生了较大的应力集中。为更加直观地了解阀体与管道连接处的应力和位移分布情况，在该处沿圆周方向建立一条路径，提取其在地震载荷作用下的应力和位移大小，结果如图4、图5所示。

图4 危险截面各向位移

图5 危险截面各向应力

从图4可以看出，由于球阀在纵向方向的刚度较大，横向、纵向、竖向及组合地震载荷对球阀的横向位移和竖向位移的影响较大，且最大横向位移大于最大纵向和竖向位移；从图5可以看出，由于刚度的影响，在单向地震载荷、组合地震载荷作用下，球阀的横向、竖向应力远大于纵向应力。从图4（d）、图5（d）可以看出，组合地震载荷作用比任一单方向的地震作用产生的应力和位移更大，对球阀的破坏更大。

4.3 安全性评价

全焊接管线球阀为钢制承压构件，其薄壁零件按照 JB 4732—2005《钢制压力容器—分析设计标准》[20]要求进行评价，按应力产生原因、不同的失效作用形式及结构应力分布情况等因素将结构应力分为一次应力、二次应力和峰值应力，然后根据不同的评定准则对各应力进行评价。薄壁零件的应力强度评定方法按评定路径的不同可分为点处理法和线处理法。根据本文载体的特性，用线处理法进行应力评价，即在关心的截面位置将计算得到的应力按照划分的路径进行线性化处理，其中路径的划分十分重要，根据JB 4732中的规定，应力评定路径应垂直截面且穿过结构最大应力点[21]；本文对壳体类薄壁零件采用线处理法进行评价，评价准则为：1）一次总体薄膜应力σm，校核限值为σm≤KSm；2）一次总体薄膜应力+一次弯曲应力σb，校核限值为σm+σb≤1.5Sm。式中：Sm为材料的许用应力；K值为载荷系数，按JB 4732中表3-3中确定，查表可知，在地震载荷下取K=1.2。对在纵向、横向及组合地震载荷下的球阀进行应力线性化处理，校核结果[21]如表3所示。

表3 地震载荷作用下全焊接球阀应力评定

支座起支撑、保持结构稳定的作用，其对地震载荷下的安全性十分重要。通过分析发现，支座在地震载荷中主要承受支座和阀体之间的剪切力，利用ANSYS提取支座的剪切力，校核结果如表4所示。

表4 支架剪切应力校核结果

5 结论

1）本文利用分块Lanczos算法分析计算了全焊接球阀抗震分析所需的模态信息，发现球阀的前6阶振型的质量累计分数已经达到1，满足分析计算要求。

2）利用从PEER地震数据库选取的天然地震波和振型分解反应谱法，计算得到了球阀在地震载荷下的响应，然后再和球阀在自重、内压下的应力变形按同向叠加，最终得到球阀在横向、纵向、竖向及组合地震载荷作用下的地震响应，确定阀体与管道连接处为球阀的薄弱位置。

3）通过在球阀危险截面建立一条路径，提取了该处在单向和组合地震载荷作用下的应力和位移，发现球阀对横向、竖向地震载荷较敏感，组合地震载荷对球阀造成的破坏最大。利用JB 4732标准对球阀危险截面位置进行了分析评价，发现球阀在地震载荷作用下安全。

4）根据分析计算结果提出建议：在球阀设计过程中，可通过极限设计法提高球阀的抗震能力；同时在安装使用过程中，重点对球阀与管道连接处的横向和竖向位移进行监控，避免球阀的横向和竖向位移可能产生的破坏。