單瓣旋啟式止回閥閥蓋厚度計算公式的分析與研究①

丁無極 姚舜剛 李 江 盛水平

(1.杭州市特種設備檢測研究院；2.浙江省特種設備檢驗研究院；3.杭州宏偉壓力容器制造有限公司)

近年來，石化行業(yè)、冶金部門、電力部門及城市建設等閥門使用大戶對閥門的需求越來越大[1]，因閥門生產(chǎn)企業(yè)質(zhì)量參差不齊而導致閥門破裂造成的生產(chǎn)事故也越來越多，如某聚氯乙烯生產(chǎn)企業(yè)發(fā)生氯乙烯單體單向止回閥閥蓋突然破裂事故、某自來水廠多臺止回閥閥體破裂等。

止回閥是應用較為普遍的一種閥門，閥門啟閉件靠介質(zhì)流動和力量自行完成開啟或關(guān)閉，以防介質(zhì)倒流。旋啟式止回閥采用內(nèi)裝搖臂旋啟式結(jié)構(gòu)，閥門的所有啟閉件都安裝于閥體內(nèi)部，不穿透閥體，除了中法蘭部位用密封墊片和密封環(huán)外，整體沒有外漏點，杜絕了閥門外泄的可能。閥蓋是旋啟式止回閥的重要部件之一，它既承受管道的工作壓力，又承受管道中介質(zhì)的沖擊作用力(氣浪、液錘等)。然而在閥門的設計計算中，人們往往只關(guān)注閥體與閥瓣的強度校核，而忽視閥蓋的壁厚計算。閥蓋作為閥門密封件，其受力引起的變形將直接影響閥門的工作可靠性[2]。為此，筆者在對常規(guī)閥蓋計算公式結(jié)果進行分析的基礎(chǔ)上對公式做了相應的改進，并采用有限元法對改進后的公式進行求解、分析與驗證，通過對閥蓋應力場的分析和研究揭示閥蓋內(nèi)部各向應力變化過程的基本規(guī)律，達到指導閥蓋設計計算的目的。

1 常規(guī)閥蓋計算公式

設計閥門時，各標準對旋啟式止回閥閥體厚度都有明確的定義，而對于閥蓋厚度的計算無論是國內(nèi)外標準，還是閥門計算手冊，都沒有明確的定義和分類，閥門設計手冊中旋啟式止回閥閥蓋厚度計算公式也僅適用于碟形閥蓋。目前，大多數(shù)旋啟式止回閥設計者多以閥體厚度公式來確定閥蓋厚度，然而對于閥體形狀為圓筒形或橢球形，閥蓋形狀為圓形平板的情況，顯然利用閥體計算公式計算閥蓋是不合理的。

圖1 為單瓣旋啟式止回閥結(jié)構(gòu)示意圖，閥蓋材料為鑄造銅合金ZCuZn4Pb2(閥門設計手冊中其許用應力為50MPa)，公稱壓力1.6MPa，DN66mm，設計余量4mm，工作介質(zhì)為水、油及氣等，工作溫度低于170℃。

閥門設計手冊中給出的閥蓋厚度計算公式為[3,4]：

(1)

式中C——考慮鑄造偏差、工藝性能及介質(zhì)腐

圖1 單瓣旋啟式止回閥結(jié)構(gòu)示意圖

蝕等因素而附加的裕量，mm；

DN——閥蓋中腔最大內(nèi)徑(根據(jù)結(jié)構(gòu)需要選定)，mm；

p——設計壓力，通常取公稱壓力pN，MPa；

SB——考慮腐蝕余量的閥蓋壁厚，mm；

[σL]——材料的許用拉應力，MPa。

圖2是單瓣旋啟式止回閥閥蓋結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2 單瓣旋啟式止回閥閥蓋結(jié)構(gòu)示意圖

將數(shù)據(jù)代入式(1)，得到：

(2)

取C=4mm，則SB=4.93mm，閥門設計手冊中給定的最小壁厚為5.50mm，大于計算值，因此計算結(jié)果符合要求。然而，筆者對此計算結(jié)果表示懷疑。

2 公式的改進

經(jīng)查閱閥門設計手冊，式(1)是鋼和合金鋼圓形閥體壁厚的計算式，是用于截面為圓筒形的鋼質(zhì)閥體的計算公式，屬于經(jīng)驗公式。而單瓣旋啟式止回閥閥蓋為圓形平板，應該更適合用盲板公式確定其厚度。

基于塑性分析推導出的平蓋厚度計算公式為[5]：

(3)

式中K——平蓋結(jié)構(gòu)特征系數(shù)，K=0.75；

φ——焊接系數(shù)，φ=1。

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式(3)，得到閥蓋厚度SB=5.90mm。

3 分析與驗證

3.1 建模

對單瓣旋啟式止回閥閥蓋進行ANSYS有限元建模，如圖3所示。將閥蓋看作平蓋并簡化為圓形平板，然后對其圓柱面施加全約束。

圖3 圓形平板有限元模型

3.2 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分是建模中非常重要的一個環(huán)節(jié)，網(wǎng)格劃分的質(zhì)量將直接影響計算結(jié)果的準確性和計算進度，網(wǎng)格劃分嚴重不合理時將導致計算不收斂。根據(jù)該閥體的結(jié)構(gòu)特點和載荷類型，選擇單元類型為SOLID187，網(wǎng)格劃分尺寸應不大于閥蓋最小厚度值。筆者采用自由網(wǎng)格劃分方法進行網(wǎng)格劃分，結(jié)果如圖4所示。

3.3 仿真與結(jié)果分析

單瓣旋啟式止回閥閥體材料為ZCuZn40Pb2，抗拉強度110MPa，彈性模量和泊松比分別為90GPa和0.324[6]。

在模型的圓環(huán)面上施加位移約束，在圓形平板的一面施加面力載荷，載荷特征為均勻內(nèi)壓，根據(jù)閥體的試驗壓力，在閥體的內(nèi)表面施加載荷1.5MPa[7]。

選擇PCG迭代求解器，由計算機自動完成求解運算。由于本例屬于靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析，所以選用通用后處理器進行分析結(jié)果的檢查，結(jié)果如圖5、6所示。

圖5 修正前后受均布力后的應力分布

圖6 修正前后受均布力后的位移分布

由圖5、6可知，應力分布呈現(xiàn)中間部位小、向閥體連接處逐漸增大的分布狀態(tài)，應力主要集中在閥體與閥蓋連接部位，此分布情況使連接處的應變較大，易產(chǎn)生縫隙發(fā)生介質(zhì)泄漏，進而引發(fā)事故[8]。公式改進前，閥蓋模型邊緣應力超過110MPa的范圍遠大于改進后；改進前閥蓋模型的最大位移量為0.022 147mm，而一般5～7mm厚的板材的允許厚度變形為0.022mm，可見改進前位移量已超出允許變形量[9]。改進后的計算厚度經(jīng)分析驗證，最大厚度位移量為0.013 586mm，小于允許值，因此滿足設計要求。

4 結(jié)束語

筆者對單瓣旋啟式止回閥閥蓋厚度計算公式存在的不合理之處進行了分析改進，并利用ANSYS進行了有限元分析，計算結(jié)果證明筆者提出的單瓣旋啟式止回閥閥蓋厚度計算公式能夠較準確地模擬幾何初始缺陷和殘余應力對構(gòu)件整體穩(wěn)定受力特性的影響，從而準確地計算閥蓋的設計厚度，為閥門的整體設計提供了依據(jù)，降低了閥蓋因剛度不足造成的泄漏風險，提高了閥門的安全性。

[1] 陳聲坦.閥門殼體壁厚計算式的分析與研究[J].閥門,2010,(5):32～33.

[2] 李秀峰,陳宗華.低溫閥門閘板應力場的數(shù)值計算及分析[J].化工機械,2005,32(1):27～31.

[3] 楊源泉.閥門設計手冊[M].北京:機械工業(yè)出版社,2000:391～400.

[4] 陸培文.實用閥門設計手冊[M].北京:機械工業(yè)出版社,2007:300～411.

[5] GB 150.3-2011,壓力容器第3部分:設計[S].北京:中國標準出版社,2011.

[6] 王飛,李世杰,汪開雄,等.軸流式止回閥設計有限元分析[J].油氣儲運,2016,35(8):860～864.

[7] 張光明,吳代建,藺虹賓.數(shù)值模擬技術(shù)在閥蓋鑄件冒口設計中的應用[J].鑄造技術(shù),2013,34(10):1375～1377.

[8] 孟波,劉隆,王啟.LNG低溫閥門安全服役性能研究[J].化工機械,2015,42(5):701～705.

[9] 朱培元.止回閥設計技術(shù)及圖冊[M].北京:機械工業(yè)出版社,2014:201～285.