柯 嘯

(陜西省引漢濟渭工程建設(shè)有限公司，陜西 西安 710000)

引漢濟渭工程屬于跨流域調(diào)水工程，工程級別為Ⅰ等工程。三河口水利樞紐為引漢濟渭工程的兩個水源之一，主要承擔(dān)供水、調(diào)蓄功能，兼顧發(fā)電任務(wù)，是整個調(diào)水工程的調(diào)蓄中樞。電站設(shè)有2臺常規(guī)水輪機、2臺可逆式水輪機及2臺供水管線。

電站發(fā)電及供水設(shè)置為φ4500mm壓力鋼管，設(shè)6個并排支管，與主管垂直，支管分別接兩臺可逆機組、兩臺常規(guī)機組、兩個供水閥系統(tǒng)，4臺機組布置于電站主廠房內(nèi)。供水管從上游至下游依次布置有流量計、上游檢修蝶閥、調(diào)流調(diào)壓閥、下游檢修用偏心半球閥，管道末端通過“S”彎管接入導(dǎo)流洞。流量計、上游檢修蝶閥布置于電站廠房安裝間的閥坑內(nèi)，調(diào)流調(diào)壓閥、下游檢修用偏心半球閥布置于下游供水閥室。

1 設(shè)計要求

為滿足在電站檢修工況下正常供水功能，需采用超大口徑閥門，要求供水系統(tǒng)末端閥門能夠在高水頭工況下實現(xiàn)快速啟閉功能，同時閥門流阻小，密封磨損小，檢修方便。根據(jù)設(shè)計要求，選用偏心半球閥作為末端控制閥。閥門為PN16，材質(zhì)為WCB，為滿足工況使用要求，將閥門實際按照PN25進(jìn)行壁厚和配件的設(shè)計。為了確保設(shè)計萬無一失，采用ANSYS Workbench對閥門進(jìn)行有限元分析。按最大壓力PN25對其進(jìn)行校核。

DN2000偏心半球閥的幾何模型如圖1所示。

圖1 偏心半球閥設(shè)計模型

2 主要設(shè)計參數(shù)

2.1 仿真參數(shù)

仿真參數(shù)包括時間(s)、距離(mm)、力(N)、應(yīng)力(MPa)、質(zhì)量(kg)。

仿真分析環(huán)節(jié)計算時均采用直角坐標(biāo)系。

2.2 材料參數(shù)

球座、閥體、閥蓋材料為WCB(美國的鑄鋼牌號)，對應(yīng)國內(nèi)鑄鋼牌號ZG230- 450，在仿真分析環(huán)節(jié)中ZG230- 450的材料參數(shù)設(shè)置參照《中國工業(yè)材料大典》。其中，密度為7830kg/m3，泊松比為0.31，彈性模量為210 GPa，屈服強度為230MPa，抗拉強度為450MPa。

閥座、球面材料為A105，密度為7850kg/m3，泊松比為0.31，彈性模量為210 GPa，屈服強度是250MPa，抗拉強度是485MPa。

PTFE密封圈為聚四氟乙烯，密度為2200kg/m3，抗拉強度是25MPa。

2.3 網(wǎng)格劃分

由于實體模型比較復(fù)雜，在進(jìn)行有限元分析時，不可能完全用實體模型進(jìn)行分析，應(yīng)在保證結(jié)果不會產(chǎn)生較大誤差的前提下，忽略工藝結(jié)構(gòu)和一些不重要的圓角、小孔等細(xì)節(jié)特征，將實體模型簡化，這樣可以在很大程度上減少軟件計算工作量，提高計算速度。本次分析中，偏心半球閥劃分網(wǎng)格后的單元數(shù)是541658，節(jié)點數(shù)是1943115，偏心半球閥的有限元網(wǎng)格如圖2所示。

圖2 偏心半球閥整體網(wǎng)格圖

2.4 施加約束

考慮到偏心半球閥的實際使用情況，在仿真分析時約束閥體底座X、Y、Z三個方向自由度，約束示意圖如圖3所示。

圖3 偏心半球閥底座約束示意圖

2.5 載荷施加

對偏心半球閥施加載荷時，考慮到正常工作狀態(tài)和極限工作狀態(tài)兩種情況，正常工作狀態(tài)對應(yīng)的壓力為1.0 MPa，設(shè)計壓力為1.6 MPa，極限工作狀態(tài)對應(yīng)的壓力為2.5 MPa，這里只對2.5MPa下的模型進(jìn)行介紹。

(1)工況一：閥門關(guān)閉，水流被阻斷，所受壓力為 2.5 MPa

通過Workbench對偏心半球閥的有限元分析模型進(jìn)行求解，可得出閥門關(guān)閉，水流被阻斷，所受壓力為 2.5 MPa時的等效應(yīng)力、變形分布云圖，如圖4—8所示。

圖4 工況一 偏心半球閥等效應(yīng)力云圖

圖5 工況一 偏心半球閥等效應(yīng)力剖視圖

圖6 工況一 偏心半球閥變形云圖

圖8 工況一 偏心半球閥水流方向變形云圖(剖視圖)

由圖4—8可知，工況一時，偏心半球閥所受最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在端蓋外壁面凸臺處，最大值為127.3 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于材料的屈服極限；偏心半球閥所受最大變形出現(xiàn)在球座中心處，最大值為 0.324 mm，滿足許用要求。

(2)工況二：閥門開啟，水流通過，所受壓力為 2.5 MPa

通過Workbench對偏心半球閥的有限元分析模型進(jìn)行求解，可得出閥門開啟，水流通過，所受壓力為 2.5 MPa時的等效應(yīng)力、變形分布云圖如圖9—12所示。

圖9 工況二 偏心半球閥等效應(yīng)力云圖

圖10 工況二 偏心半球閥等效應(yīng)力云圖(剖視圖)

圖11 工況二 偏心半球閥變形云圖

圖12 工況二 偏心半球閥變形云圖(剖視圖)

由圖9—12可知，工況二時，偏心半球閥所受最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在閥體下內(nèi)側(cè)壁面孔處，最大值為198.7 MPa，低于材料的屈服極限；偏心半球閥所受最大變形出現(xiàn)在閥體上側(cè)壁面處，最大值為1.166 mm，滿足許用要求。

綜上所述，偏心半球閥在正常工作狀態(tài)和極限工作狀態(tài)兩種情況時，均能滿足許用要求。

3 結(jié)論

通過對閥門結(jié)構(gòu)的受力變形的分析，得到如下結(jié)論：

(1)在極限工作狀態(tài)時，最大應(yīng)力出現(xiàn)在閥門開啟時，最大應(yīng)力在閥體下內(nèi)側(cè)壁面孔處，閥門結(jié)構(gòu)所受應(yīng)力，開啟時大于關(guān)閉狀態(tài)。

(2)通過受力分析，球閥所受最大變形出現(xiàn)在閥門開啟時，閥體上側(cè)壁面處。

(3)根據(jù)模型結(jié)構(gòu)分析，通過測量閥門變形狀態(tài)，有限元仿真分析可以作為評估閥門受力及結(jié)構(gòu)健康狀況的一種手段。