埋地加長桿式閘閥的抗震分析

劉建峰，張紹華，陶國慶，葉志

（合肥通用機械研究院有限公司，安徽 合肥 230031）

埋地閘閥采用細長圓筒體加長桿式結構設計，閥門直接埋入地下，為土砂等介質所包圍，抗震問題較為復雜。如何保證運行中的埋地閘閥在可能發生的地震等組合載荷下的安全性，是工程設計和管理部門需要解決的問題。關于閥門抗震性能的研究工作已有一些成果，但對埋地閥門的抗震性能研究較少，本文旨在對埋地加長桿式閘閥的抗震性能進行分析，要求在發生極限安全地震時能夠保持壓力邊界完整。需保持壓力邊界完整的零件包括閥體、閥蓋、雙頭螺柱和六角螺母。因此，在進行抗震應力分析時，主要對承壓部件即閥體、閥蓋和雙頭螺柱進行應力評定。

1 分析及評定方法

目前，抗震分析的方法主要有3 種：等效靜力法、響應譜法和時間歷程法。其中，時間歷程法的計算結果最為準確，但比較復雜，計算時間長；而等效靜力法與響應譜法相對簡單，同時也能較為準確地反映結構的響應特性。當結構的第一階固有頻率大于33Hz 時，可采用等效靜力法。

為保證閥門在工作條件下的安全性、可靠性及壓力邊界的完整性，地震條件下的力計算按D 級使用荷載進行分析。參照NB/T 20010.10—2010、GB 50276—1997 及ASME BPVC III NF 分卷的相關規定，對埋地閘閥進行抗震分析，對主要部件進行應力評定及強度校核。

2 力學模型

本文研究的埋地加長桿式閘閥規格為NPS12 CLASS150，主要由閥體、閥蓋、閘板、閥座、閥桿、支架、加長筒、加長傳動軸和手動齒輪驅動裝置等組成。

閘閥設計壓力為2.0MPa，設計溫度為25℃。閘閥總高5768mm，總質量592kg。閘閥主要零部件采用ASTM 材料標準，材料及特性參數如表1 所示。

表1 主要部件材料及特性參數

本分析采用SolidWorks 建模，其三維幾何實體模型如圖1 所示。

采用ANSYS 軟件對埋地加長筒閘閥的頻率特性及抗震性能進行模擬分析。

圖1 閘閥模型剖視圖

3 模態分析

3.1 分析模型

模態分析的目的是通過計算閘閥和驅動裝置整體裝配體的基頻來確定閘閥整機的剛柔性。

埋地閘閥采用細長圓筒體加長桿式結構設計，加長筒高達4566.5mm，由于頂部承載手動齒輪驅動裝置，造成垂直于加長筒方向的結構剛性較差，使得整閥的基頻降低，接近地震的激勵頻率，在地震作用下產生的慣性力對閘閥的影響很大，容易造成系統破壞。

閘閥有限元模型共包含443090 個節點，207780 個單元。在閘閥閥體端法蘭及閥門與地基面接合處施加全約束。

3.2 計算結果

振動模態采用Ansys 軟件Modal 模塊進行頻率分析，提取閘閥的前六階固有頻率，其計算結果如表2所示。

閘閥前二階模態振型如圖2 所示。由表及圖可看出，閘閥整體模態振型的變形主要集中在加長筒，結構最低固有頻率33.1Hz，大于最高截斷頻率33Hz，認為是剛性結構，可采用等效靜力法進行隨后的抗震應力分析。

表2 閘閥模態有限元計算結果

圖2 前2 階振型圖

4 抗震分析

4.1 模型及加載

實體模型導入Ansys 建立閘閥有限元模型，對閘閥各部件結構進行網格劃分。這里主要對承壓邊界進行抗震應力分析，即閥體、閥蓋和中法蘭螺栓組。另外在SSE 載荷下，支架及加長筒的影響不可忽略，應加入進行整體分析。

閘閥整機有限元模型如圖3 所示，共包含417745 個節點，262015 個單元。

圖3 閘閥抗震分析有限元模型

對有限元模型施加邊界條件和載荷。在閘閥閥體端法蘭及閥門與地基面接合處施加全約束，在閥體、閥蓋內腔表面施加均布壓力2.4MPa，中法蘭螺栓組各螺栓施加預緊力15000N，整閥施加引力載荷（包括地震加速度和自重），加速度峰值按照要求確定，2 個水平方向作用4g 等效地震加速度值，垂直方向作用5g（即4g+1g 自重）加速度值。

4.2 承壓邊界殼體評定

在內壓、自重、螺栓預緊力和地震載荷組合作用下，閘閥有限元計算得到Tresca 應力如圖4 所示。

圖4 Tresca 應力云圖

從應力云圖可看出，應力較大的區域主要分布在閥體縱向加強筋的圓角、閥蓋頸部和加強筋、閥體閥蓋外殼的相貫部分和閥蓋側面中心。

對內壓、自重、螺栓預緊力和地震載荷組合計算工況，采用以下應力評定規則：

Pm或PL≤1.0S

PL（或 Pm）+PB≤1.5S

PL+PB+Q ≤3S

其中：Pm為總體薄膜應力；PL為局部薄膜應力；PB為一次彎曲應力；Q 為二次應力；S 為最大許用應力值。因此，承壓部件在地震工況下的應力限值如下所示：

Pm或PL≤150 MPa

PL（或 Pm）+PB≤225 MPa

PL+PB+Q ≤450 MPa

本文對應力值較小且明顯能滿足強度要求的部件及區域不做評定，僅在高應力區的薄弱位置，選取2 條應力評定線，其中，應力評定線A—A 位于閥體縱向加強筋的圓角上，應力評定線B—B 位于閥蓋外殼頂面與側面的相貫線處。

各應力評定線示意圖如圖5 所示，評定結果如圖6 所示。承壓邊界殼體區域的應力評定結果見表3。

圖5 應力評定線

由圖6 及表3 可看出，各計算值均小于應力限值，因此評定結果合格，相關部件強度滿足要求。

4.3 中法蘭連接螺栓應力評定

圖6 應力線性化結果圖

表3 承壓邊界殼體應力評定

中法蘭螺栓材料為ASTM A320 L7M，設計溫度下抗拉強度Su為690MPa，屈服強度Sy為550MPa，規格為M20，數量16。靜力分析得到中法蘭螺栓Tresca 應力云圖如圖7 所示。

圖7 中法蘭螺栓組Tresca 應力云圖

從圖中可看出，螺栓組Tresca 應力最大為63.4MPa，低于螺栓許用應力138MPa。按相關規范要求，在D 級使用載荷下螺栓平均拉應力不大于0.7Su和Sy中的較小值，評定結果合格，部件強度滿足要求。

4.4 其他部件應力評定

支架、加長筒、閥蓋與支架及支架與加長筒的連接螺栓均屬于非承壓部件。螺栓材料為ASTM A320 L7M，屬于鐵素體鋼，設計溫度下材料許用應力S 為138MPa，抗拉強度Su為690MPa，屈服強度Sy為550MPa。依據ASME BPVC III NF分卷規定，此類連接螺栓應符合：

式中，ft為計算拉應力，fv為計算剪應力，Ftb為許用拉應力，Fvb為許用剪應力。

在載荷組合作用下，兩螺栓組的拉應力和剪應力計算結果及其應力評定如表4 所示。由表可看出，兩螺栓組的計算應力值均小于對應的應力限值，評定結果合格，部件強度滿足要求。

表4 非承壓部位連接螺栓應力評定

另外，計算得到支架及加長筒的Tresca 應力分別為37.8MPa 和71.1MPa，小于許用應力138MPa，評定結果合格，部件強度滿足要求。

5 結語

本文以埋地加長桿式閘閥為對象，建立模態分析和抗震分析有限元模型，進行閘閥系統振動特性分析、內壓及地震等載荷組合作用下的應力計算和評定，考察此閘閥的抗震性能。

（1）閘閥整機的第1階固有頻率大于33Hz，可視為剛性閥門，采用等效靜力法進行抗震分析是可行的。

（2）埋地閘閥整體模態振型的變形主要集中在加長筒。

（3）由于加長筒高度較大，柔性大，致使整機第1 階固有頻率接近截斷頻率，后期還應對結構進行優化，如圓筒中部增設縱筋、筒體設置加強圈等，以進一步增強剛性。

（4）在內壓、自重、螺栓預緊力和地震載荷組合作用下，對閘閥進行應力計算，并根據相關規范進行分析和評定，分析結果表明閘閥主要部件薄弱位置的應力均小于許用值，滿足強度要求。