閘閥加固中卡子有限元分析與扭矩試驗研究

何家勝，劉 杰，陳 才

(武漢工程大學 機電工程學院， 湖北 武漢 430074)

0 引 言

閘閥是工業生產中一類非常重要的設備，主要用于控制管路等通道中介質的流量，廣泛應用于石油化工、能源電力、原子能等領域.由于很多的管線需要埋在地下，因此很多閘閥也埋在地下，而由于土壤中的介質復雜，可能會有一些腐蝕性介質對閥體或相關構件產生腐蝕，進而容易使閥門發生失效，如由于腐蝕使結構發生一定損傷后的結構在應力較大時易發生應力腐蝕失效[1-4].

某公司的埋地管道閘閥(如圖1所示)在檢修中發現閘閥矩形法蘭上的部分緊固螺釘發生斷裂，該管道中介質為可燃性氣體，斷裂的螺釘很容易導致氣體外泄，進而引發火災等嚴重安全事故.對斷裂螺釘進行相關檢查，發現螺釘的斷裂系應力腐蝕導致.由于整個管系很長，閘閥較多，不能短期內逐一進行停氣檢查，同時由于上下閥體聯接部位的螺釘斷在螺孔(盲孔)內后很難取出，不易短時間內直接取出換掉，因此決定對閘閥采取安裝卡子的方式進行加固，以保證閘閥安全運行.針對以上的情況，對卡子進行了如下的研究.

圖1 閘閥及加固方案中卡子示意圖

1 幾何模型

卡子的初步結構尺寸(未倒角時)如圖2所示.卡子的夾緊主要是通過擰緊卡子上的六角螺栓，產生夾持力，繼而加載在閘閥上后對閘閥產生密封力，壓緊閘閥上下法蘭及閘閥中的密封橡膠圈，達到夾緊狀態.

圖2 閘閥及卡子聯接簡圖(單位：mm)

2 有限元模型

2.1 力學模型

在卡子的ANSYS有限元模型中對卡子結構給定如圖3所示位移和載荷邊界條件：

位移邊界：圖3中A點和B點位于卡子中部背面中線兩端，其中B點約束X、Y、Z三個方向的位移，A點約束X、Y方向位移.

載荷邊界：在螺釘中心位置受到力F的作用，其中上部受到向上的作用力，下部受到向下的作用力，大小均為F，如圖3所示.

圖3 卡子模型上的約束和載荷

2.2 ANSYS有限元計算模型

利用大型通用有限元軟件ANSYS對卡子進行建模分析，進行卡子受力的有限元計算.其中，有限元單元選用三維8節點的二次結構單元SOLID95，建立的有限元模型如圖4所示[5].

圖4 卡子有限元單元圖

圖5 無倒角時應力分布圖

從圖5所示的卡子無倒角時的應力分布計算結果中可以看到，卡子的拐角處局部區域呈現明顯的應力集中，應力高達350 MPa左右，這對于卡子整體的安全性能會產生很大的影響，易導致卡子局部失效，進而引發卡子的整體失效.因此，必須對卡子的拐角處設置一定的倒角，另外由于卡子與所聯接的閘閥的上下部分的結構限制，使得卡子的倒角也不能取得過大，否則會影響卡子的裝夾，因此需要確定一個合理的倒角數值.經過一定的測量及計算，為保證卡子的正常工作，應保證卡子的倒角半徑r≤8 mm，為此，運用ANSYS參數化設計語言APDL編寫命令流程序，計算得到r=5 mm、6 mm、7 mm、8 mm時的卡子應力分布(應力圖中的最大應力出現在卡子上下部分加載集中力F的位置，此處呈現較大的應力集中，這主要是由于加載方式為加載集中力引起的，對所關心的卡子拐角處的應力分布影響不大).

計算結果顯示，隨著過渡圓角半徑r的增大，拐角處的應力強度下降，且應力集中現象逐漸減弱，不同倒角情況下計算得到的卡子拐角處的最大應力如表1所示.

表1不同倒角半徑時拐角處最大應力值

Table 1 The max stress at the corner of clip with different fillet radius

r/mm5678拐角處最大應力值/MPa291.90286.06270.34255.31

由于卡子拐角處發生應力集中，從保守的觀點看，只要應力強度小于1.5倍的許用應力，即能保證安全[6].對于45#鋼，許用應力[σ]=188 MPa，而1.5[σ]=282 MPa，因此從表1中可以看出，r=7時其拐角處最大應力強度為270.34 MPa能滿足安全要求.此時，應力分布如圖6所示.

圖6 有倒角時(r=7 mm)應力分布圖

同時按應力分類和彈塑性失效準則，只要σmax<3[σ]=564 MPa，即能滿足安全要求，因此r=7能滿足強度條件.所以卡子的拐角半徑取r=7 mm.

3 試驗研究

在卡子的現場安裝過程中，施工人員基本是靠扳手直接擰緊卡子上的螺栓，直到螺栓不能擰動為止，但是此時可能由于擰緊扭矩過大使得卡子的內力過高了，這極易引發卡子在土壤中的腐蝕性環境中發生應力腐蝕失效.由于在發現螺釘斷裂情況后，企業緊急制造了一批卡子(如圖1所示)對閘閥進行加固，為防止卡子在安裝過稱中由于擰緊力矩過大而發生上述失效，因此需要確定一個能保證卡子對閘閥良好密封性能的卡子擰緊扭矩.為了能夠準確地得到這個擰緊扭矩值，于是開展了以下的卡子擰緊扭矩測量試驗.

此試驗的試驗方案如下：首先假設閘閥處于螺釘全部斷裂失效的極限情況，僅由如圖7所示的6個卡子對閘閥進行夾緊密封，根據閘閥的壓力和幾何尺寸可以得到每個卡子應該提供至少7 356 N的密封載荷，而通過圖5所示的有限元計算得知，單個卡子在提供7 356 N的密封載荷時，卡子中間內表面附近區域的應力為240 MPa.所以，要保證擰緊力矩的值不會過大，可以通過在卡子中間內表面設置應變片(如圖8所示)，由應力應變關系式(1)轉換得到卡子中間內表面應力為240 MPa時此區域的相應的應變量ε=1 200.

σ=E×ε

(1)

式(1)中，E為材料的彈性模量，對于本實驗中的卡子為45#鋼，其E=2×105MPa為確定值；ε為測試點處材料的形變量，為試驗中需要測試的值.

利用電阻應變儀采集應變片上的應變量，當電阻應變儀上的數值達到由上式計算得到的ε=1 200時，扭力矩扳手上的數值即為所需的保證卡子正常密封的擰緊扭矩值M.

圖7 卡子裝夾示意圖

圖8 卡子上的應變片位置示意圖

根據以上的方案進行試驗，試驗模型如圖9所示，在卡子上施加扭矩，直到應變儀數值增大到1 200左右時結束加載，加載完成時電阻應變儀上的數值如圖10所示.試驗結果顯示，加載完成所需的扭矩值為13 N·m，后將此結果與相關工程人員實際操作中的數據進行對比，發現此數值結果較實際操作中的數值略低，說明實際操作中的扭矩值可能過大，應該降低到13 N·m.另外，為了防止卡子在夾持閘閥的過程中由于管系和環境的原因發生震動而松脫，因此提出了在卡子夾持位置設置橡膠墊的方案，同時也對有橡膠墊的情況進行了試驗研究.

圖9 卡子應力測試試驗圖

圖10 電阻應變儀上的數值

對以上的兩種方案進行試驗研究，試驗結果顯示，要使卡子內側應力為240 MPa，則螺栓上應加載的扭矩值為：

(1)不加橡膠墊時扭矩值M=13 N·m

(2)加橡膠墊時扭矩值M=15 N·m

然后對上述扭矩值在閘閥上進行現場試驗，效果良好，表明試驗結果具有較高的準確性.

4 結 語

a.利用ANSYS對卡子結構提供7 356 N密封載荷時的情況進行有限元結構計算，分析卡子中的應力分布，得知此時卡子中間內表面上的應力為240 MPa.同時，在卡子的結構設計中，為了緩解卡子拐角處的應力集中，并保證卡子的安全，拐角處的半徑值可取r=7 mm.

b.為了防止閘閥加固方案中的卡子在安裝過程中由于擰緊扭矩過大而產生過大的內力，在環境腐蝕的作用下發生應力腐蝕失效，設置了卡子擰緊扭矩的測試試驗.結果表明：卡子中間內側表面上的應力為240 MPa時擰緊卡子螺栓所用的彎矩值M=13 N·m，實際安裝中擰緊螺釘的扭矩值不應超過此值.

c.對上述扭矩值在閘閥上進行現場試驗，效果良好，表明試驗結果具有較好的準確性.

參考文獻：

[1] 何家勝,危衛,魯錄義，等.晶界損傷對裂尖應力場的影響分析[J].武漢工程大學學報,2008,30(3):87-89.

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