氧氣切斷球閥有限元分析

2013-08-28 卓育成上海開維喜閥門集團

　　以實例介紹了在氧氣切斷球閥設(shè)計中，采用有限元方法對承壓件閥體、球體、閥座、支撐板、閥桿的強度進行的分析，對閥座和球體變形進行計算，解決了承壓件的強度和閥門密封的問題。

　　在傳統(tǒng)閥門設(shè)計中，由于計算方法的限制，只能根據(jù)材料力學(xué)中提供的一些經(jīng)驗公式進行估算，這種方法不能全面反映閥門的應(yīng)力狀態(tài)，也不能給設(shè)計人員指出閥門的薄弱環(huán)節(jié)和改進方向。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展和力學(xué)理論的發(fā)展，在閥門整個設(shè)計周期中，采用有限元分析進行數(shù)值仿真已經(jīng)走向成熟。

　　氧氣切斷球閥廣泛運用于各種煤氣化裝置以及化工、石化、鋼鐵、冶金、空分等行業(yè)。由于介質(zhì)是氧氣，任何的外泄漏和內(nèi)泄漏都可能造成劇烈燃燒、爆炸等嚴重后果。因此，對氧氣切斷球閥的設(shè)計重點是解決承壓件的強度和閥門密封的問題。

　　本文以NPS14Class600為例，對氧氣切斷球閥承壓件的強度和閥座與球體變形進行有限元分析。

1、氧氣切斷球閥承壓件強度分析

　　有限元分析材料參數(shù)見表1。

表1 有限元分析材料參數(shù)

1.1、閥體強度有限元分析

　　閥體的壁厚通常采用標準ASMEB16.34簡化公式計算或查表。但是，氧氣切斷球閥主閥體通道與閥桿相交處屬于典型的結(jié)構(gòu)總體不連續(xù)，容易引起局部應(yīng)力集中。同時主閥體與副體采用多個螺栓連接，螺栓孔邊緣也容易引起局部應(yīng)力集中。因此，需用有限元方法對閥體的強度進行驗證。

1.1.1、許用應(yīng)力Sm的確定

　　許用應(yīng)力Sm取σb/n1與σS/n2兩者中的較小值，n1與n2分別是σb和σS的安全系數(shù)。

　　取σb=552MPa，n1=2.6，則Sm=σb/n1=212MPa;

　　取σS=241MPa，n2=1.65，則Sm=σS/n2=146MPa;

　　取兩者中較小的值：Sm=146MPa;1.5Sm=219MPa;3Sm=438MPa。

1.1.2、幾何模型及網(wǎng)格劃分

　　取主閥體和側(cè)閥體作為計算對象，二者通過螺栓連接。在模型中通過無質(zhì)量剛體及多點約束一起模擬螺栓固定主閥體與側(cè)閥體。由于計算中涉及裝配體的接觸分析，為了便于計算，有限元計算模型采用主閥體和側(cè)閥體的1/4結(jié)構(gòu)模型。主閥體和側(cè)閥體網(wǎng)格劃分，單元類型為Solid45，單元數(shù)為43778個，節(jié)點數(shù)為11435個。

1.1.3、計算結(jié)果

　　下頁圖1為主閥體和副閥體在介質(zhì)壓力10MPa下的應(yīng)力強度有限元計算云圖。從下頁圖1可看出，主閥體與副閥體連接螺栓孔邊緣產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。

圖1 主閥體和副閥體應(yīng)力強度有限元計算云圖

1.1.4、應(yīng)力評定

　　在ASMEBPVC中，給出了分析設(shè)計方法，設(shè)計的合格性通過考察在各種設(shè)計外載荷下的結(jié)構(gòu)行為來進行校核。并提出根據(jù)彈性殼體不連續(xù)理論，將彈性應(yīng)力場分解為一次、二次和峰值3種不同的應(yīng)力，然后以相應(yīng)的應(yīng)力強度極限來評定結(jié)構(gòu)強度，該方法能準確分析閥體局部應(yīng)力集中和整體的結(jié)構(gòu)強度。

　　在ASMEBPVC中，結(jié)構(gòu)強度的判定均采用應(yīng)力強度，即按第三強度理論計算結(jié)構(gòu)當量強度：應(yīng)力強度是在給定點上最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力的代數(shù)差，拉應(yīng)力為正，壓應(yīng)力為負。

　　彈性應(yīng)力場可分解為一次應(yīng)力、二次應(yīng)力Q、三次應(yīng)力和峰值應(yīng)力。一次應(yīng)力又可分為一次總體薄膜應(yīng)力PM、一次局部薄膜應(yīng)力PL和一次彎曲應(yīng)力Pb。由于閥體所承受載荷是非周期性的載荷，對閥體產(chǎn)生破壞的是一次應(yīng)力和二次應(yīng)力，峰值應(yīng)力的影響可不予考慮，根據(jù)ASMEBPVC規(guī)范要求，只需要校核：

　　(1)PM，校核判據(jù)條件：PM≤Sm;

　　(2)PL+Pb，校核判據(jù)條件：(PL+Pb)≤1.5Sm;

　　(3)PL+Pb+Q，校核判據(jù)條件：(PL+Pb+Q)≤3Sm。

　　PM、PL、Pb和Q均按應(yīng)力強度進行分解，且當以上3個應(yīng)力強度校核判據(jù)條件同時滿足，則可判斷結(jié)構(gòu)強度安全。氧氣切斷球閥主閥體和副閥體應(yīng)力評定結(jié)果見表2。

表2 氧氣切斷球閥主閥體和副閥體應(yīng)力評定結(jié)果

　　從表2可以看出，氧氣切斷球閥主閥體和副閥體設(shè)計是安全的。

1.2、球體強度有限元分析

　　球體主要承受彈簧預(yù)緊力和介質(zhì)壓力(10MPa)產(chǎn)生的作用力。

　　球體采用三維建模方法，網(wǎng)格劃分單元采用Solid45，單元數(shù)為18405個，節(jié)點數(shù)為4441個。球體應(yīng)力強度有限元計算云圖見圖2。從圖2可看出，球體與閥桿連接處產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。

圖2 球體應(yīng)力強度有限元計算云圖

　　校核判據(jù)條件：σ最大≤σs;σ最大=162MPa，σs=414MPa，評定結(jié)果安全。

1.3、閥座強度有限元分析

　　閥座主要承受彈簧預(yù)緊力、介質(zhì)壓力(10MPa)產(chǎn)生的作用力和球體的反作用力。

　　閥座采用三維建模方法，網(wǎng)格劃分單元采用Solid45，單元數(shù)為28928個，節(jié)點數(shù)為36352個。閥座應(yīng)力強度有限元計算云圖見圖3。從圖3可看出，閥座密封面應(yīng)力最高。

圖3 閥座應(yīng)力強度有限元計算云圖

　　校核判據(jù)條件：σ最大≤σs;σ最大=142MPa，σs=414MPa，評定結(jié)果安全。

1.4、支撐板強度有限元分析

　　氧氣切斷球閥采用固定球支撐板結(jié)構(gòu)，當上游氧氣壓力作用于球體上，推力通過支撐板及時消解于閥體及管線上，不直接作用在閥桿上。閥桿在開關(guān)的過程中只承受扭矩，不承受彎矩，延長氧氣切斷球閥的使用壽命。

　　支撐板采用三維建模方法，網(wǎng)格劃分單元采用Solid45，單元數(shù)為11894個，節(jié)點數(shù)為3197個。支撐板固定球體的中間孔180°為受力面，施加力為571015N。支撐板應(yīng)力強度有限元計算云圖見下頁圖4。從下頁圖4可看出，支撐板固定球體的中間孔處產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。

圖4 支撐板應(yīng)力強度有限元計算云圖

　　校核判據(jù)條件：σ最大≤σs;σ最大=109MPa，σs=241MPa，評定結(jié)果安全。

1.5、閥桿強度有限元分析

　　氧氣切斷球閥的閥桿主要用來承受扭矩，要求閥桿的安全系數(shù)至少大于2。

　　閥桿采用三維建模方法，網(wǎng)格劃分單元采用Solid45，單元數(shù)為23421個，節(jié)點數(shù)為5641個。為了便于在鍵槽處加載扭矩，在閥桿外構(gòu)造一個質(zhì)量點，將質(zhì)量點與閥桿鍵槽面上的節(jié)點剛性聯(lián)接，扭矩加載在質(zhì)量點上，然后傳遞到鍵槽面上。扭矩施加為18200N·m。閥桿應(yīng)力強度有限元計算云圖見圖5。從圖5可看出，閥桿半圓柱銷孔底部產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。