球閥密封性的有限元分析

何家勝林驍　朱曉明　張林

（武漢工程大學機電工程學院）　（中石化武漢分公司)

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球閥密封性的有限元分析

何家勝*林驍朱曉明張林

（武漢工程大學機電工程學院）（中石化武漢分公司)

為保證球閥的安全運行，運用有限元方法建立了公稱通徑為150 mm、球體半徑為135.5 mm的球閥分析模型，并對球閥密封比壓進行了分析。通過調整兩閥座端面的軸向距離來控制密封比壓，從而使球閥達到密封要求。

球閥 密封比壓 閥座 有限元 不銹鋼

0　引言

云南天安化工有限公司使用的球閥曾頻繁發生泄漏[1]；壓縮天然氣 （CNG）長管拖車上的球閥在使用2～3個月后往往也出現泄漏情況[2]。這些球閥泄漏事故不但會造成嚴重的經濟損失，更危及到人們的生命安全，因此對球閥密封性進行分析有著重要的意義。

工程上，通常通過調整球閥殼體法蘭的密封墊片厚度來控制螺栓預緊力，進而控制密封比壓。然而這只能把密封比壓控制在一個大致范圍，并不能達到準確控制。王偉[3]、俞樹榮[4]、張浩強[5]等人曾運用有限元方法對球閥密封比壓的分布情況進行分析研究，且都是選擇對閥座端面施加力載荷。實際上力載荷的大小在工程中往往難以準確控制。因此，本文選擇更易準確控制的位移載荷。經過分析發現，控制兩閥座端面的軸向距離就能有效地控制密封比壓。

1　研究思路及原理

球芯和閥座構成球閥的密封結構。浮動球閥密封結構如圖1所示，球閥兩閥座端面在軸向的距離為L(本文中L為248 mm)，球閥殼體在螺栓預緊力下對閥座進行擠壓，兩閥座端面的軸向距離縮短2ΔL（閥座相對于球芯對稱），閥座產生形變從而達到密封。工程上螺栓預緊力往往是通過法蘭密封墊片的厚度來控制的，而密封墊片的厚度并無固定標準，通常都是各廠家依據經驗方法自己確定，因此實際密封比壓相對于設計要求常常會過大或者過小，并不能保證滿足密封要求。本文運用有限元方法進行模擬計算，可以調整ΔL的大小，并找到兩閥座端面的軸向距離與密封比壓之間的關系。

圖1　浮動球閥密封結構

2　球芯實體模型的建立

本文運用ANSYS軟件建立天然氣球閥密封的三維模型，零件模型使用的單位制是mm、N。球閥公稱通徑為150 mm，球體半徑為135.5 mm，閥座外徑為174 mm，閥座內徑為150 mm。球閥裝配好關閉時的實體模型如圖2所示。

圖2　球閥關閉時的實體模型

3　球芯的有限元模型

3.1設置單元類型

球閥球芯采用的材料是具有加工性能好、韌性高、耐腐蝕等特點的304不銹鋼。在ANSYS中對球閥球芯的單元類型選擇常用的六面體單元。該單元有8個節點，每個節點有3個自由度，能夠較好地反映受力和變形情況，且計算結果精度高。

球閥閥座材料采用的是具有彈塑性的聚四氟乙烯 （PTFEC）。在ANSYS中對球閥閥座的單元類型選擇三維大應變單元。

3.2設置材料屬性

球閥球芯材料為304不銹鋼，彈性模量為1.93×105MPa，泊松比為0.29。閥座材料為聚四氟乙烯,彈性模量為400 MPa,泊松比為0.35。

3.3劃分網格

由于球閥球芯屬于不規則體，難以用映射的方式劃分網格，因此本文選擇自由劃分的方式對球閥球芯進行網格劃分。考慮到球閥的大小及計算精度，單元尺寸選擇10。而球閥閥座是規則體，因此選擇映射的方式對其進行網格劃分，單元尺寸選擇10。劃分網格后的模型如圖3所示。

圖3　有限元模型

3.4創建接觸對

在球芯與閥座的接觸面創建面與面接觸對[6]，摩擦系數設置為0.1，接觸面為球芯外表面與閥座內表面。閥座內表面單元類型設置為target170，球芯外表面單元類型設置為contac174。

3.5施加約束和載荷

球閥在組裝時，殼體在螺栓的作用下施加作用力給閥座，閥座通過對球芯的擠壓產生形變,從而達到密封的作用。球閥球芯可繞閥桿軸心自轉，閥座固定不動，因此對閥座外表面加以全約束，對兩閥座端面施加軸向位移載荷 （大小為ΔL）。在工作壓力為1.6 MPa的條件下，球閥關閉時，對靠近進口的球芯外表面及靠近進口的閥座內表面施加工作壓力。加載后的模型如圖4所示。

4　有限元計算及分析

4.1密封比壓的分布情況

由于球閥主要是靠預緊力擠壓閥座產生形變達到密封，因此本文只分析閥座上的密封比壓。靠近出口的閥座密封面模型如圖5所示。王偉、俞樹榮、張浩強等人運用有限元方法對球閥密封比壓的分布情況進行過分析研究，但在施加載荷過程中，他們都是直接對閥座端面施加力載荷，而本文則是選擇對閥座施加軸向的位移載荷，更接近實際情況。本文以軸向位移載荷ΔL=0.5 mm為例，簡要分析密封比壓的分布情況。圖6、圖7為閥座密封比壓局部云圖。

圖4　加載后的模型

圖5　靠近出口的閥座密封面

圖6　密封比壓最大點局部云圖

圖7　密封比壓最小點局部云圖

由圖6、圖7可知，密封比壓最大點位于靠近內徑的邊緣處，而密封比壓最小點位于密封面中部，且密封比壓的分布呈現為靠近內徑邊緣處最大，靠近外徑處略大于中部。此結論也與王偉、俞樹榮、張浩強等人的研究結果相符。

4.2密封比壓大小的控制

密封比壓需達到的要求為

式中qMF——必需的密封比壓；

q——實際密封比壓；

［q］——密封面材料的許用比壓。

在本例中，介質工作壓力 p=1.6 MPa，qMF= 1.2p=1.2×1.6=1.92 MPa，［q］=15 MPa（聚四氟乙烯，密封面有滑動）。

密封比壓的理論公式[7]為

其中閥座外徑 DMW=174 mm，閥座內徑DMN=150 mm，由此可以計算出理論密封比壓q=5.4 MPa。

當球閥關閉時，靠近進口的球芯外表面在介質工作壓力下，會使球芯向靠近出口的閥座進行擠壓。當靠近出口的閥座密封面達到密封要求時，靠近進口的閥座密封面密封比壓會稍小。本文先對工作壓力為1.6 MPa，ΔL為0.5 mm，處于關閉狀態的球閥進行有限元計算求解，得到靠近出口的閥座密封比壓云圖，如圖8所示。然后將密封面的每一個節點的應力進行提取并求得平均值，在滿足qMF＜q＜［q］的密封要求下，用求得的平均值與密封比壓理論值進行比較，通過改變ΔL的大小來調整密封比壓，使其在滿足密封要求的條件下盡可能接近理論值，最終找到ΔL較為合理的值。

提取密封面節點應力并求得其平均值，結果發現，ΔL為0.5 mm時密封比壓偏大。于是將ΔL調整為0.3 mm來縮小范圍。最后發現，當ΔL為0.33 mm時，計算出的密封比壓與理論值相當接近，計算步驟及結果如表1所示。

圖8　靠近出口的閥座密封比壓云圖

表1　計算步驟及結果

由表1可知，在球閥為關閉狀態、工作壓力為1.6 MPa、ΔL為 0.33 mm時,密封比壓為 5.517 MPa，滿足密封要求qMF＜q＜［q］，且非常接近理論值，誤差僅為2.12%。經過有限元計算驗證，當ΔL為0.33 mm時，靠近進口的閥座密封比壓為4.628 MPa，同樣滿足密封要求。

5　結論

（1）通過有限元分析可知，球閥密封比壓分布情況呈現為靠近內徑邊緣處最大，中部最小，靠近外徑處略大于中部。

（2）通過有限元分析可知，公稱通徑為150 mm、球體半徑為135.5 mm的球閥在工作壓力為1.6 MPa的條件下，當兩閥座端面的軸向位移為0.33 mm時，球閥滿足密封要求。

（3）運用有限元方法，找出了兩閥座端面的軸向距離與密封比壓之間的關系。通過改變兩閥座端面的軸向距離，能夠有效控制密封比壓的大小,并能夠準確地找出滿足密封要求的ΔL值，使球閥達到密封要求。

[1]楊開華,徐丁.液氨充裝球閥泄漏原因分析及處理對策[J].大氮肥，2012（5）：335-336.

[2]潘曉娥，代迅.壓縮天然氣用氣瓶球閥的泄漏原因分析與改進 [J].閥門，2008（4）：42-43.

[3]王偉，閆懷磊，劉洋.基于ANSYS WorkBench的球閥密封面分析 [J].煤礦機械，2009（9）：220-222.

[4]俞樹榮，高揚，張希恒.基于有限元的浮動球閥密封比壓分析 [J].閥門，2006（2）：25-28.

[5]張浩強，張春良，羅彬彬.基于Pro/E和ANSYS的天然氣球閥密封比壓有限元分析 [J].機械工程與自動化，2009（4）：67-69.

[6]張洪才.ANSYS 14.0理論解析與工程應用實例 [M].北京:機械工業出版社，2012.

[7]陸培文.閥門設計手冊 [M].北京:機械工業出版社, 2002.

Finite Element Analysis of Sealing Property of Ball Valve

He JiashengLin XiaoZhu XiaomingZhang Lin

In consideration of the safe operation,the analysis model of the ball valve with the nominal diameter of 150 mm and the sphere radius of 135.5 mm is established through the finite element method.Meanwhile, the sealing pressure is analyzed.The sealing requirements are satisfied by adjusting the axial distance between the two end faces of the valve seats.

Ball valve；Sealing pressure；Valve seat;Finite element;Stainless steel

TQ 050.2DOI：10.16759/j.cnki.issn.1007-7251.2016.06.009

2015-10-30）

*何家勝，男，1958年生，教授。武漢市，430074。