基于ABAQUS的高壓球閥球體有限元分析

劉洋，倪威，蔚海文

(1.江漢石油鉆頭股份有限公司，湖北武漢430223;2.中國海洋石油深圳分公司，廣東深圳518067;3.中煤集團山西金海洋能源有限公司，山西朔州036000)

傳統的球閥在使用過程中，常常因為球體與閥座的配合誤差而導致咬傷、卡塞或劃傷等問題。為了改善這些不足，現今在西氣東輸管道設計項目中使用了大口徑、耐高壓、耐腐蝕的高可靠性球閥。而在這種球閥的設計制造中，為盡可能地保證產品質量、延長產品的使用壽命，作者采用有限元數值模擬的方法[1－2]，對3種工況下球體的受力情況進行了強度分析，并對整體應力、最大變形處、最薄弱環節做了評價，這對預先檢測產品潛在的問題，改善產品的可靠性和安全性，減少產品的制造費用及現場的設計和使用具有指導意義。

1 球體力學分析模型

球體結構為對稱的薄壁結構，是整個球閥中體積和質量最大、承受最高壓力的部件[3]，其結構與材料質量直接影響內部應力分布和產品的安全性，當球閥工作時，球體在開啟和關閉過程中，管道內的氣體將會流向中腔內部，所以對其進行強度分析十分必要[4]。在此，選取3種工況下球體的受力情況進行分析，圖1為某大型球閥的結構圖。

(1)流道內有壓力10 MPa，中腔無壓力

由于球閥尚未開啟，流入管道內的氣體直接作用在閥座支撐圈上，壓迫閥座緊壓球體產生預密封作用，管道內的氣體將不能通過縫隙進入中腔內部。因此在分析時，球體上游端在流道內介質壓力 (10 MPa)的作用下，使閥座支承圈和閥座一起壓向球體[5]。

圖1 某型號大口徑球閥裝配圖

(2)流道內壓力10 MPa，中腔內壓力13.3 MPa

在特定的條件下，管道內的氣體進入中腔，這時球體將受兩種載荷的作用:第一種是在上游端流道內介質壓力(10 MPa)的作用，使閥座支承圈和閥座一起壓向球體;第二種是在下游端中腔內介質壓力(13.3 MPa)的作用，使閥座支承圈和閥座一起壓向球體。

(3)流道內無壓力，中腔內壓力13.3 MPa (試驗工況)

當中腔壓力為13.3 MPa、兩端流道無壓力時，此時球體的上游端和下游端同時受到中腔內介質壓力(13.3 MPa)的作用，使閥座支承圈和閥座一起壓向球體。

2 球體的有限元模擬

2.1 整體應力及位移分析評價

通過模擬上述3種工況下的球體，得到了球體在不同受力狀態下的應力云圖及位移云圖，見圖2—7。

圖2 10 MPa 下球體Mises 應力云圖

圖3 10 MPa 下球體位移云圖

圖4 兩種載荷作用下球體Mises 應力云圖

圖5 兩種載荷作用下球體位移云圖

圖6 13.3 MPa 下球體Mises 應力云圖

圖7 13.3 MPa 下球體位移云圖

經過對不同工況下的球體模型采用有限元分析，得到集中區的Mises 應力曲線圖，如圖8所示。

圖8 3種工況下應力集中區曲線圖

不同工況下，球體都會產生一個應力集中區，由圖8可以看出:第二種工況下的集中區域的應力最大，第一種次之，第三種最小;就集中區大小而言，第一、二兩種工況下球體的應力集中區域較長，第三種的區域較小，整體上都處在應力較小區。由圖8還可以看出:球體所受最大應力值為100 MPa，相比球體材料的屈服極限要小得多，因此球體的工作很安全[6]。

2.2 最大變形處分析評價

如圖9所示:3種不同工況下，工況1、2 球體的最大變形量基本相同，最大位移量為0.75 mm，變形量較小;工況3 球體位移最大，達到了1.75 mm，但是由于該工況下的位移集中區處在球體的中間部位，抗壓及抗疲勞能力較強，因此不會對球體造成損害，仍能正常工作。

圖9 3種工況下位移集中區曲線圖

2.3 薄弱環節處分析評價

球體在凸臺處的直徑產生了突變，工作時，在變徑處有可能產生應力集中，對球閥可能構成損壞，因此了解變徑處的應力是非常有必要的。

從圖10可以看出:3種工況下的球體應力都處在40～100 MPa 之間，處在比較安全的應力范圍內;第一、二兩種工況下球體變徑處的位移大小基本相同，都小于0.4 mm，處在比較低的區間;第三種工況下的位移則相對比較大，但由于該工況時球體受力變形為對稱式，因此，球體工作同樣安全。

圖10 3種工況下變徑處曲線圖

3 結論

(1)閥體有限元分析結果表明，無論在10 MPa的工作壓力下還是在閥體無袖管時13.3 MPa的試驗壓力下，閥體都有足夠的強度保證安全。最大應力值在閥體和袖管連接處，閥體的最大位移保持在0.75 mm 以下[7]。

(2)從對球體在3種不同壓力載荷作用下的分析結果可以得出:在3種不同工況下，球體所受到的應力值變化不大，都處在100 MPa 以下;3種情況下球體的位移量都處在一個很小的范圍，對球閥的密封影響不會太大。因此，在上述3種不同實際工況下，球體工作狀態都比較安全。

【1】王建華.固定球閥球體的分析與研究[J].通用機械制造，2009(3):96－98.

【2】尹襄，周小南，夏曉珅，等.大型球閥制造技術研究及應用[J].東方電機，2009(2):15－26.

【3】林元茂.管道球閥故障及應對措施[J].茂名學院學報，2007，17(4):21－24.

【4】鄔佑靖.管線球閥的技術現狀及發展方向[J].閥門，2007(6):22－33.

【5】高澤普，張成旺，史紅軍.不銹鋼球閥密封結構探討[J].機床與液壓，2004(10):198－196.

【6】李樹勛，把橋環，賀連娟，等.天然氣長輸管線全焊接鍛造球閥的密封研究[J].潤滑與密封，2007，32(1):172－174.

【7】矯永臣，曲樹蓁，劉永剛.耐磨耐腐蝕球閥結構的改進[J].管道技術與設備，2009(1):29－31.