高溫高壓球閥球體的熱-結構耦合分析

□ 汪玉鳳 □ 柳棟梁 □ 史慶泰

1.蘭州理工大學機電工程學院 蘭州 730050 2.浙江宣達集團 浙江溫州 325100

球閥是一種以球體作為啟閉件，可借助手柄或其它驅動裝置驅動球體旋轉90°，使球體通孔與閥體通道中心線重合或垂直，實現全開或全關動作，常用的球閥從結構上可分為浮動球球閥與固定球球閥兩種。球閥的使用非常廣泛，在石油天然氣、煤化工行業、核工業等方面都有廣泛的應用[1]。球閥結構簡單，密封性好，能實現快速啟閉。球體作為球閥主要的承壓件，對整個球閥的使用性能是至關重要的，在生產實踐中，球閥球體強度的校核都靠經驗或者分析軟件進行，對于高溫高壓球閥，高溫產生的熱應力對球體材料的性能具有一定的影響，單純結構分析沒有考慮高溫對球體的影響是有缺陷的。筆者在有限元結構分析的基礎上，應用Workbench進行熱-結構耦合分析，對浙江宣達集團某型號900lb球閥的球體在400℃、8 MPa的壓力下進行全關閉狀態下的結構分析和熱-結構耦合分析，為球體的可靠性設計提供理論依據。

1 球體半徑的確定

根據密封圈材料的許用比壓，按密封面的必須比壓計算公式，初步確定密封面的寬度bM：

式中：bM為密封面的寬度，mm；qMF為密封面的必須比壓；c為與密封面材料有關的因數，對于鉻基硬質合金，c=3.5；K為在給定密封的條件下，考慮介質壓力對比壓值的影響因數，對于鉻基硬質合金，K=0.1；p為公稱壓力，MPa。

閥座密封圈的材料為鉻基硬質合金，許用比壓為[q]=150 MPa。 將以上數值代入式（1）中，運算得：

不管球閥處于開啟狀態還是關閉狀態，密封面與球體接觸面的寬度都不能小于bM。根據工況，球體強度如需加大，則可適當加大球體直徑。最終設計球體直徑為247 mm。因不考慮泄壓，球閥在關閉時，球體還承受溫度和壓力的作用，所以只對球體的關閉狀態進行結構和熱-結構耦合分析。

2 球體有限元模型的建立

固定球球閥體，由兩端與球體連接在一起的固定軸承與閥體上的滑動軸承支承，球閥關閉時，在介質壓力的作用下，球體不會產生位移[2]。 應用 Solid Works軟件建立球體的三維模型，導入有限元分析軟件Workbench中，球體材料選用鍛造304不銹鋼，材料屬性見表1，采用自動劃分網格，共劃分網格節點數為17 450個，網格中的單元數為9 382個，三維模型如圖1所示。

▲圖1 球體三維圖

3 施加約束和載荷

根據有限元分析的要求，必須對有限元模型進行約束，才可使分析具有意義[3]。無論是結構分析還是熱-結構耦合分析，對于球體，在介質的壓力作用下，閥座密封圈產生位移，在彈簧預緊力作用下，密封圈始終壓在球體上，從而保證球閥的密封性能。球閥處于關閉狀態時，高溫介質將溫度和壓力直接作用于球體表面，按球體所能承受的最高溫度400℃和工作壓力8 MPa，對球體進行關閉狀態的熱-結構耦合分析和常溫下的結構分析。

表1 球體材料屬性

▲圖2 球體溫度云圖

▲圖3 球體結構分析應力圖

▲圖4 熱-結構耦合分析應力圖

4 分析求解及結果分析

（1）通過穩態熱分析模塊，得出球體的穩態溫度場分布如圖2所示。

（2）對球體進行結構分析，在球閥全關閉狀態下，對球體施加8 MPa的壓力，所得應力如圖3所示。

（3）對球體進行熱-結構耦合分析，將熱分析所得的溫度場加載到球體結構分析中，并且對球體表面施加8 MPa的壓力，分析得出應力如圖4所示。

由穩態熱分析結果可知，介質與球體表面直接接觸的位置，球體溫度分布如圖2所示，球體溫度最高達到400℃，球體最低溫度為204.25℃。由球體結構分析可知，球體的應力分布如圖3所示，球閥處于全關閉狀態時，球體在常溫下受到8 MPa的壓力時最大應力為89.09 MPa，最小應力為0.051 722 MPa，球體材料在常溫下的許用應力為137 MPa，結構分析得出球體的最大應力小于材料的許用應力，球體強度符合要求。當溫度場作為載荷加載到球體上作結構分析時，在熱載荷和結構載荷的共同作用下，球閥處于全關閉狀態時，球體的應力分布如圖4所示，最大應力出現在球體通道的側壁處和與閥桿接觸處，最大應力為130.25 MPa，最小應力為0.266 72 MPa，球體材料在400℃時的許用應力為107 MPa，球體的最大應力超過材料在400℃的許用應力，球體的強度不符合要求。

對球體尺寸進行設計改進，加大球體的直徑至260 mm，此時對球體進行熱-結構耦合分析，得出球體的最大應力為89.641 MPa，最小應力為0.648 81 MPa，球體最大應力小于材料的許用應力，強度符合要求。通過以上兩種不同邊界條件的分析得出，熱載荷作用下的最大應力占總應力的31.6%。由此可得，若只考慮單純的結構分析，對于球體的結構設計并不可靠。

5 總結

建立球體的三維模型，應用有限元軟件分別對球體進行結構分析和熱-結構耦合分析，得出球體穩態熱分析下的溫度分布圖、結構分析下的應力圖，以及在熱載荷和結構載荷共同作用下的球體的應力云圖。結果表明，球體的應力是由結構載荷和熱載荷共同作用下產生的，對球體進行熱-結構耦合分析，可確定球體強度。單純進行結構分析，對于球體強度的校核并不精確，溫度載荷作為影響球體應力的重要因素，不能忽略。因此，對球體的熱-結構耦合分析，能為球體的可靠性設計提供理論分析依據。

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