高壓長輸管線固定球閥有限元優(yōu)化設(shè)計(jì)

（銅陵科力閥門有限責(zé)任公司，安徽 銅陵 244151）

摘 要：新技術(shù)和新材料在閥門制造中的應(yīng)用，以及新加工工藝的使用，使得閥門設(shè)計(jì)和制造水平得到了很大程度地提高。有限元閥門優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件在高壓長輸管線固定球閥設(shè)計(jì)中發(fā)揮著重要的作用。本研究綜述了高壓長輸管線固定球閥概述、有限元分析以及結(jié)構(gòu)耦合優(yōu)化設(shè)計(jì)等內(nèi)容，目的在于給管線球閥設(shè)計(jì)提供一定的思路。

關(guān)鍵詞：高壓長輸管線;固定球閥;有限元;優(yōu)化設(shè)計(jì)

管道輸送在我國發(fā)展的非常迅速，液體石油、天然氣都是通過管道來輸送，但是管道輸送最關(guān)鍵的是防止氣、油泄露，閥門是管道系統(tǒng)中的重要組成部分，閥門的質(zhì)量直接影響氣、油輸送安全，所以保證閥門質(zhì)量就顯得尤為重要。閥門設(shè)計(jì)、制作過程均會(huì)影響閥門質(zhì)量，所以如何保證閥門設(shè)計(jì)和制造質(zhì)量，就成了很多閥門制造企業(yè)非常關(guān)注的問題。在閥門優(yōu)化設(shè)計(jì)中，有限元優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件起到了至關(guān)重要的作用，給閥門質(zhì)量提供了一定的保障。

1 高壓長輸管線固定球閥概述

1.1 管道球閥的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

球閥是輸送管道系統(tǒng)中較為關(guān)鍵的部分，球閥在這個(gè)輸送系統(tǒng)中扮演著重要的角色。球閥在系統(tǒng)中能夠發(fā)揮作用與它的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)存在很大的關(guān)系，通常情況下，球閥主要由閥體、球體、閥座、閥桿以及傳動(dòng)裝置構(gòu)成，而常用的管道球閥又由浮動(dòng)球結(jié)構(gòu)和固定球結(jié)構(gòu)兩部分構(gòu)成。不同類型的球閥具有不同的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，比如說浮動(dòng)式球閥的球體是可以浮動(dòng)的，如果受到壓力的作用，球體就會(huì)被壓到出口一側(cè)的密封圈上，這時(shí)候由于形成了單密封。這種球閥具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、單側(cè)密封性好的特點(diǎn)，不過這種球閥的開啟與閉合的力矩較大;然而，固定式球閥有上下轉(zhuǎn)軸，因此球體可以沿著閥門垂直軸線進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，但它不能進(jìn)行側(cè)向移動(dòng)。另外，常用的閥體主要有全焊接閥體、兩段式螺栓連接閥體、三段式螺栓連接閥體以及頂裝式閥體四種[1]。

1.2 管道球閥存在的問題

球閥具有使用壽命，在使用過程中很可能由于各種原因而存在一定的問題，通常情況下，常見的球閥問題主要體現(xiàn)在以下方面：（1）球芯開關(guān)不到位。這個(gè)問題主要是說，當(dāng)球閥的軸端刻線處于水平位置時(shí)，指示球閥關(guān)閉，但是由于長時(shí)間球芯磨損，所以導(dǎo)致閥桿與球體旋轉(zhuǎn)不同步，這就引起了旋轉(zhuǎn)誤差;（2）球芯表面鍍鉻處理不當(dāng)。球閥制造時(shí)，通常在球芯表面鍍鉻，這樣可以增強(qiáng)球芯的耐磨性和氣密性，但是鉻層孔隙較多，這使得在其表面直接鍍鉻防腐效果不佳，所以需要進(jìn)行細(xì)致處理，但通常這種處理做的都不夠細(xì)致;（3）閥座材料不適于管道球閥的使用工況。這些都是管道球閥存在的問題，需要給予足夠的重視。

1.3 管道球閥結(jié)構(gòu)形式的確定

管道球閥結(jié)構(gòu)不僅決定了它的用途，而且在一定程度上影響著球閥的質(zhì)量。所以在球閥制造過程中，一定要先確定球閥結(jié)構(gòu)。三段式雙向密封固定球閥具有較大的優(yōu)越性，其流體阻力小，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕、體積小，最關(guān)鍵是它的密封性好，因此三段式雙向密封固定球閥在實(shí)際應(yīng)用過程中較為常見。不過球閥生產(chǎn)與應(yīng)用還要結(jié)合實(shí)際，根據(jù)生活中的使用需求來設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，只有這樣才能物盡其用。

2 有限元分析

2.1 密封圈軸對(duì)稱模形接觸有限元分析

有限元方法的基本思路是以連續(xù)體離散化方法為載體，尋求滿足條件的有效值。該方法解決問題主要通過求解聯(lián)立方程組，解出的數(shù)值與連續(xù)體中的離散點(diǎn)相近。在閥門設(shè)計(jì)優(yōu)化過程中，主要利用有限元軟件來實(shí)現(xiàn)，一個(gè)完整的有限元程序包含了前置處理、求解程序、后置處理以及時(shí)間歷程后置處理等。在利用有限元求解問題的過程中，面臨的關(guān)鍵問題就是如何將接觸面條件適當(dāng)引入求解過程。而且在有限元計(jì)算過程中涉及了幾個(gè)重要的參數(shù)，包括節(jié)點(diǎn)荷載、單元應(yīng)力、單元應(yīng)變、位移函數(shù)，這幾個(gè)參數(shù)都是有限元計(jì)算中非常重要的。

另外，閥門密封問題分析時(shí)，需要建立有限元分析模型。閥門密封中涉及到密封圈問題，密封圈邊界條件比較復(fù)雜，所以分析時(shí)應(yīng)該進(jìn)行整體分析，通常情況下藥依據(jù)密封結(jié)構(gòu)的幾何形狀、形狀以及其它條件，可將密封圈分析模型可簡(jiǎn)化為對(duì)稱模型[2]。

2.2 活動(dòng)套筒平面應(yīng)變及主密封彈塑性有限元分析

在利用有限元分析時(shí)，通常會(huì)應(yīng)用到平面應(yīng)變問題有限元法和彈塑性問題的有限單元法，在使用這兩種方法時(shí)需要注意一些問題，比如說在使用彈塑性問題的有限單元法時(shí)，必須以增量的方式表示，這是因?yàn)樵趶椝苄詥栴}中，材料的性質(zhì)和應(yīng)力、應(yīng)變的歷史有關(guān)。另外，在閥門設(shè)計(jì)時(shí)還會(huì)面臨大位移問題，對(duì)此要采用虛位移原理來建立有限元平衡方程。

閥門設(shè)計(jì)中有兩個(gè)重要內(nèi)容，即閥座及活動(dòng)套筒的設(shè)計(jì)。在閥座及活動(dòng)套筒設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)時(shí)，要考慮的因素有密封面材料、活動(dòng)套筒與閥座三維圖、活動(dòng)套筒閥座截面密封有限元計(jì)算、密封比壓計(jì)算以及固定球閥密封力計(jì)算等。

3 結(jié)構(gòu)耦合優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 殼體計(jì)算

閥門是管道系統(tǒng)的重要組成部分，它承擔(dān)著許多功能，如它在不同介質(zhì)的壓力、溫度下進(jìn)行開啟、減壓、調(diào)節(jié)等功能，因此閥門承壓邊界的完整性和安全性是需要著重考慮的問題。閥門設(shè)計(jì)時(shí)要加強(qiáng)對(duì)殼體的計(jì)算，殼體計(jì)算時(shí)需要考慮殼體材料和殼體厚度兩個(gè)因素。殼體材料好壞會(huì)直接影響到制造工藝、質(zhì)量以及成本，所以在選用殼體材料時(shí)，要綜合地考慮多方面的因素，包括導(dǎo)熱性能、工藝性能、耐腐蝕性以及熱膨脹性等。閥體壁厚的計(jì)算是閥門設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，通常情況下，殼體計(jì)算主要是根據(jù)指定的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，但是因?yàn)殚y體選材不在殼體壁厚規(guī)定的范圍之內(nèi)，所以只能通過計(jì)算來確定壁厚[3]。

3.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)

優(yōu)化設(shè)計(jì)模型在解決實(shí)際問題中起著非常關(guān)鍵的作用，通常情況下確定設(shè)計(jì)變量、約束條件及目標(biāo)函數(shù)之后就可以生成模型，通過數(shù)學(xué)模型計(jì)算相應(yīng)的參數(shù)和變量。數(shù)值迭代是優(yōu)化設(shè)計(jì)中常用的方法，其優(yōu)化的基本思路是搜索、迭代、逼近。搜索主要是指根據(jù)優(yōu)化方法規(guī)定的原則來確定搜索的方向，迭代是指搜索過程的重復(fù)，通過逐步的迭代計(jì)算確定出一個(gè)最佳值。迭代終止具有一定標(biāo)準(zhǔn)和原則，包括當(dāng)相鄰的兩個(gè)迭代點(diǎn)之間的距離充分小時(shí)，可以終止迭代;當(dāng)相鄰迭代點(diǎn)的目標(biāo)函數(shù)值的下降或相對(duì)下降量充公下時(shí)，也可終止迭代;當(dāng)目標(biāo)函數(shù)在迭代點(diǎn)的梯度已達(dá)到充分小時(shí)，終止迭代。

在實(shí)際優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中，主要利用有限元設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行。此軟件優(yōu)化設(shè)計(jì)的步驟主要包括生成分析文件、構(gòu)建優(yōu)化控制文件、根據(jù)已完成的優(yōu)化循環(huán)和當(dāng)前優(yōu)化變量的狀態(tài)修正設(shè)計(jì)變量，重新投入循環(huán)、查看設(shè)計(jì)序列結(jié)果及后處理設(shè)計(jì)結(jié)果。

3.3 殼體有限元計(jì)算

殼體有限元計(jì)算也是閥門有限元優(yōu)化設(shè)計(jì)中重要的環(huán)節(jié)，在殼體有限元計(jì)算時(shí)，不僅要考慮結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定分布，而且還要了解溫度變化而引起的結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布，這主要是因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)體系的溫度發(fā)生變化時(shí)，結(jié)構(gòu)會(huì)膨脹或收縮，而且如果膨脹或者收縮程度不同，就可能產(chǎn)生熱應(yīng)力。殼體計(jì)算發(fā)現(xiàn)，經(jīng)有限元分析得知由公式計(jì)算出來的殼體壁厚略小于有限元分析得出的最優(yōu)壁厚，應(yīng)用有限元優(yōu)化，這樣才能得到最優(yōu)值。

4 結(jié)語

總而言之，閥門是管道系統(tǒng)中重要的部分，但同時(shí)閥門的質(zhì)量直接影響了管道系統(tǒng)的運(yùn)輸安全，所以無論是閥門設(shè)計(jì)，還是閥門制造都需要嚴(yán)格控制質(zhì)量，在閥門設(shè)計(jì)時(shí)要充分地利用有限元優(yōu)化方法來優(yōu)化，給閥門質(zhì)量提供更大的保障。

參考文獻(xiàn)：

[1]肖念新，劉春霞，李智會(huì)，李錦澤，康維民，潘麗瑋.基于Pro/E小型播種機(jī)的三維設(shè)計(jì)[J].農(nóng)機(jī)化研究，2011（09）：16-18.

[2]劉揚(yáng)，劉匯源.高溫硬密封球閥密封結(jié)構(gòu)研究[J].閥門，2013（04）：25-27.

[3]陳鑫，吳福迪，王立峰，趙云峰.大縫隙密封的幾種異型截面橡膠密封結(jié)構(gòu)的有限元分析[J].強(qiáng)度與環(huán)境，2012（04）：31-33.