上裝式超低溫球閥啟閉過程應(yīng)力分析

王 寅 韓正海 江 鑫

（江蘇蘇鹽閥門機(jī)械有限公司，江蘇 鹽城224500）

0 引言

球閥是石油、天然氣開發(fā)及輸運(yùn)過程中必不可缺的設(shè)備，主要用于控制輸送介質(zhì)的通斷。球閥是近年來發(fā)展最快的閥門之一，具有結(jié)構(gòu)簡單、密封性好、方便維修、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)[1，2]。

在現(xiàn)場(chǎng)使用過程中，球閥的安全性和可靠性是現(xiàn)場(chǎng)工程技術(shù)人員重點(diǎn)關(guān)注的問題。此外，設(shè)計(jì)人員在確保球閥的服役安全前提下，還需要從經(jīng)濟(jì)性角度衡量球閥設(shè)計(jì)的可行性[3]。為保證球閥設(shè)計(jì)的安全性，要求球閥的各部件在介質(zhì)壓裂作用下具備足夠的強(qiáng)度以承受輸送介質(zhì)壓力誘發(fā)的高應(yīng)力，避免球閥在高壓作用下發(fā)生密封失效、開裂或爆裂[4]。球閥在開啟或關(guān)閉狀態(tài)下，閥體及閥芯的應(yīng)力保持不變。但在球閥關(guān)閉的過程中，隨著閥芯的轉(zhuǎn)動(dòng)，球閥的開度逐漸減小，閥體及閥芯表面的壓力不斷變化，其應(yīng)力亦隨之波動(dòng)。鑒于上述情況，為了保證設(shè)計(jì)的安全性，需要明確球閥啟閉過程中閥體及閥芯上的應(yīng)力變化規(guī)律，保證足夠的安全系數(shù)。

本文將聚焦于球閥啟閉過程，以上裝式LNG（天然氣）超低溫球閥為對(duì)象，建立不同閥芯開度的有限元模型，采用線彈性有限元分析方法，分析不同閥芯開度條件下的球閥應(yīng)力分布，建立球閥開度與球閥最大應(yīng)力之間的規(guī)律，以期為上裝式LNG超低溫球閥的設(shè)計(jì)和安全性評(píng)價(jià)提供參考。

1 建立模型

1.1 球閥的工作參數(shù)及材料力學(xué)性能

上裝式超低溫球閥的實(shí)驗(yàn)壓力為37.3 MPa，輸送的介質(zhì)為天然氣（LNG）。工作參數(shù)如表1所示。

表1 LNG上裝式超低溫球閥的性能參數(shù)

上裝式超低溫球閥閥體應(yīng)用的材料為ASTMA351 CF8M，屈服強(qiáng)度為205 MPa。固定軸、閥座、閥芯等應(yīng)用材料為ASTMA182FXM-19，屈服強(qiáng)度為380 MPa。材料參數(shù)如表2。

表2 LNG上裝式超低溫球閥的性能參數(shù)

1.2 實(shí)體模型

上裝式超低溫球閥閥體結(jié)構(gòu)為一體結(jié)構(gòu)，閥腔通道的應(yīng)力對(duì)閥蓋的密封影響小，相對(duì)于三體式球閥，外漏點(diǎn)少，更加經(jīng)濟(jì)[5]。上裝式超低溫球閥主要由閥體、閥座、閥芯、閥桿、隔熱板、閥蓋等組成。圖1為上裝式超低溫球閥的剖面圖。

圖1 上裝式超低溫球閥三維模型

2 有限元模型

2.1 幾何模型

上裝式超低溫球閥各部件的應(yīng)力會(huì)隨著關(guān)閉過程中閥芯的轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)生變化。球閥的開啟或關(guān)閉過程主要體現(xiàn)為閥芯的轉(zhuǎn)動(dòng)角度不同，當(dāng)完全開啟時(shí)，閥芯轉(zhuǎn)動(dòng)角度為0°，當(dāng)完全關(guān)閉時(shí)，閥芯轉(zhuǎn)動(dòng)角度為90°。由圖1可知，球閥的閥桿順時(shí)針或逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)，均可以實(shí)現(xiàn)球閥的開啟和關(guān)閉過程，區(qū)別在于球閥流道內(nèi)介質(zhì)流動(dòng)方向。因此，以球開啟過程時(shí)閥芯相對(duì)于閥體流道橫截面為0°，分別建立閥芯相對(duì)開度為0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°的模型。

將上裝式超低溫球閥的完整幾何模型導(dǎo)入有限元軟件中，并對(duì)比模型，確定模型的完整性。圖2所示為閥芯開度為0°的導(dǎo)入模型。

圖2 上裝式超低溫球閥網(wǎng)格模型

2.2 網(wǎng)格劃分

由于上裝式超低溫球閥結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使用6面體單元?jiǎng)澐謱⑹闺y度大大增加。所以采用適應(yīng)性更強(qiáng)的4面體單元對(duì)幾何模型劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸為15 mm。球閥網(wǎng)格模型的由176 330個(gè)單元組成，包含325 285個(gè)節(jié)點(diǎn)。

2.3 載荷與邊界條件

上裝式超低溫球閥在試驗(yàn)工況條件下介質(zhì)壓力最高，且該試驗(yàn)工況常用于判斷球閥設(shè)計(jì)的安全性，因此后續(xù)分析過程中以球閥的試驗(yàn)工況對(duì)有限元模型施加載荷。上裝式超低溫球閥內(nèi)腔介質(zhì)為LNG，試驗(yàn)壓力為37.3 MPa，所以對(duì)內(nèi)腔表面施加壓力37.3 MPa，其他外表面為自由面。

邊界條件：由于上裝式超低溫球閥在試驗(yàn)和服役工況下通過兩端的法蘭螺栓連接與其他輸送管道連接，球閥的兩側(cè)法蘭左右兩側(cè)的自由度被約束，所以在有限元軟件中將入口及出口法蘭端面上的所有自由度設(shè)置為0。

3 結(jié)果與分析

根據(jù)上述模型及分析條件，進(jìn)行模擬分析，得到上裝式球閥閥芯不同開度下的應(yīng)力云圖，如圖3所示。

從圖3a、b可以看出，上裝式超低溫球閥在啟閉過程中，隨著閥芯開度的變化，球閥的閥體流道、閥芯與閥座的接觸位置的應(yīng)力較其它區(qū)域高。將球閥在不同開度條件下的應(yīng)力最大值及應(yīng)力最大點(diǎn)的位置歸納于表3中。

圖3 閥芯轉(zhuǎn)動(dòng)過程中應(yīng)力分布

從表3中可知，除閥芯開度0°外，閥芯開度在15°～90°變化過程中，球閥的最大應(yīng)力均位于閥芯與左、右兩側(cè)閥座接觸面上。最大應(yīng)力點(diǎn)位于上述區(qū)域的主要原因是該區(qū)域的幾何結(jié)構(gòu)存在不連續(xù)過渡，在LNG高壓力作用下產(chǎn)生了應(yīng)力集中現(xiàn)象。

表3 閥芯轉(zhuǎn)動(dòng)不同角度下對(duì)應(yīng)的最大應(yīng)力

根據(jù)表2可知，上裝式超低溫球閥內(nèi)部球體、上下油閥等組件所承受最大壓力為380 MPa。對(duì)比表3，球閥轉(zhuǎn)動(dòng)過程中只有開度60°超過最大屈服強(qiáng)度，且最大應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他位置的最大應(yīng)力，判斷是有限元模型的網(wǎng)格畸變?cè)斐傻臄?shù)值奇異。其他不同開度下的最大應(yīng)力皆低于材料屈服強(qiáng)度，滿足設(shè)計(jì)要求。

閥芯轉(zhuǎn)動(dòng)的不同角度下對(duì)應(yīng)的最大應(yīng)力。由圖4可知，上裝式超低溫球閥在啟閉過程中，隨著閥芯的轉(zhuǎn)動(dòng)，閥芯與閥座的介質(zhì)壓力作用面積發(fā)生變化，閥芯及閥座接觸區(qū)域的最大等效應(yīng)力呈現(xiàn)出先增大后減小的規(guī)律。當(dāng)閥芯開度為90°時(shí)，閥體內(nèi)閥芯與閥座接觸位置的最大等效應(yīng)力與閥芯開度為0°時(shí)的最大等效應(yīng)力幾乎相同。

圖4 閥芯的轉(zhuǎn)動(dòng)角度與球閥最大應(yīng)力之間對(duì)的關(guān)系

閥芯轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，球閥的最小應(yīng)力均發(fā)生在開啟和關(guān)閉狀態(tài)，數(shù)值上約為143 MPa，低于材料的屈服強(qiáng)度，安全系數(shù)約為2.6，表明球閥在開啟和關(guān)閉狀態(tài)下的滿足設(shè)計(jì)要求。此外閥芯在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，球閥的應(yīng)力會(huì)發(fā)生較大波動(dòng)。需要注意，轉(zhuǎn)動(dòng)過程中的內(nèi)部零件的應(yīng)力過高，應(yīng)避免閥芯及閥座在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中因過高的應(yīng)力發(fā)生塑性屈服而導(dǎo)致密封面失效進(jìn)而發(fā)生泄漏。

4 結(jié)論

通過線彈性有限元分析方法，建立了上裝式超低溫球閥啟閉過程不同開度條件下的有限元模型，得到閥芯不同開度下的應(yīng)力變化規(guī)律，所得結(jié)論如下：

（1）上裝式超低溫球閥在關(guān)閉過程中，隨著閥芯的轉(zhuǎn)動(dòng)，球閥的最大應(yīng)力主要出現(xiàn)在閥芯與閥座的接觸位置。所以應(yīng)保證閥芯與閥座材料具有足夠的強(qiáng)度，防止在接觸部分因應(yīng)力過大產(chǎn)生塑性變形而導(dǎo)致密封面失效。

（2）上裝式超低溫球閥在關(guān)閉過程中最大等效應(yīng)力隨著閥芯的轉(zhuǎn)動(dòng)呈周期性變化，呈現(xiàn)出先增大后減小的規(guī)律。

（3）閥芯轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，球閥開啟和關(guān)閉狀態(tài)下的最大應(yīng)力幾乎相同，且在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，開啟和關(guān)閉狀態(tài)下的最大等效應(yīng)力最小。

（4）上裝式超低溫球閥在球體轉(zhuǎn)動(dòng)過程中的應(yīng)力有較大變化，設(shè)計(jì)過程中應(yīng)避免閥芯轉(zhuǎn)動(dòng)過程中閥芯及閥座的應(yīng)力超過材料的屈服強(qiáng)度。