惺

（1.四川輕化工大學 機械工程學院，四川宜賓 644000；2.江南閥門有限公司，浙江溫州 325013）

0 引言

國內外天然氣管線技術的要求是每30 km要設置一套閥門管匯控制裝置或系統(tǒng)，以保證在緊急時刻和管道維修時截斷天然氣輸送管道，僅“川氣東送”管線工程沿線就設有閥控室74座，而作為閥控室主要零部件的全焊接球閥的安全性是人們關注的重點［1］。

目前全焊接球閥的抗震試驗條件不完善，例如上海市特種設備監(jiān)督檢驗技術研究院編寫的《全焊接球閥的制造及檢驗技術概述》一文提及的抗震試驗，其主要通過改變載荷大小對球閥進行抗震試驗測試［2-4］，這對于隨時間變化破壞程度不斷加大的地震載荷來說，顯然無法滿足實際試驗驗證條件。因此，在試驗條件無法滿足地震實際作用的條件下，運用計算機輔助設計軟件將地震波的相關數據作為載荷對全焊接球閥進行瞬態(tài)動力學分析具有必要性和現實意義。本文以四川某公司在長輸管線關鍵閥門國產化研制中所開發(fā)DN48"FW-600LB全焊接球閥為研究對象，針對其在使用工況（開啟）下受地震載荷作用時，利用時程分析法和瞬態(tài)動力學分析計算方法，開展動力學分析計算研究，獲取其抵抗地震載荷的能力特性［5］。

1 全焊接球閥有限元模型及材料參數

全焊接球閥主要由球體、閥體、密封圈、閥桿、軸承座、壓蓋、袖管等構成，結構如圖1所示。

圖1 全焊接球閥內部結構示意

利用軟件SolidWorks建立全焊接球閥的三維實體模型，并忽略對分析結果影響不大的結構及特征；同時，為使分析盡可能與實際使用工況一致，增加7倍管徑長的管線（含袖管），管線與閥體焊接［6］；球閥在結構、載荷、約束等具有完全面對稱性，因此，只取球閥及管線的1/2來進行分析計算；采用Solid187實體單元類型與自由網格劃分技術建立有限元模型，如圖2所示，共計網格142 351個，節(jié)點72 490個，采用網格無關性檢查，發(fā)現計算結果精度不隨網格的數量增加而提高，因此網格劃分合理。

圖2 全焊接球閥管線系統(tǒng)局部網格

全焊接球閥管線系統(tǒng)工作介質壓力為10.2 MPa，溫度為20 ℃；閥蓋、閥座、閥芯和閥桿等主要承壓構件材料為A694-F65，管道材料為X80，材料物理屬性見表1。

表1 全焊接球閥主要材料屬性

2 模態(tài)分析

系統(tǒng)的自振特性主要由固有頻率和振型組成，自振特性決定了系統(tǒng)對地震動的響應，因此在進行地震時程分析之前應先進行模態(tài)分析；模態(tài)分析求解過程忽略結構阻尼的影響，按照線彈性階段進行分析［7］。

2.1 模態(tài)分析過程

利用Ansys Workbench設置求解系統(tǒng)的前6階模態(tài)，通過計算得到系統(tǒng)的前6階頻率及振型見表2。

表2 系統(tǒng)前6階固有頻率及振型

2.2 模態(tài)分析計算結果

（1）從表2可知，系統(tǒng)其前六階固有頻率最小值都大于33 Hz，在地震發(fā)生時全焊接球閥及管配系統(tǒng)安裝使用結構不會發(fā)生共振，它是后續(xù)開展動力學分析的基礎和前提；

（2）利用公式Δt=1/20f，選擇f為第一階頻率，得到時程分析時間步長Δt=0.001 s；

（3）本文采用的阻尼形式為瑞利阻尼，即C=αM+ βK；其中α和 β 是根據材料和結果特性計算得到的常數，M和K分別為結構的質量矩陣和剛度矩陣。利用公式：

式中 ζ——系統(tǒng)阻尼比，ζ=0.05；

ωi，ωj—— 系統(tǒng)第一、第二階固有頻率。

計算得到α =3.453，β =0.000 73［8］。

（4）根據相關文獻［9］，確定地震波選取所關心的結構自振周期T=1.3 s。

3 全焊接球閥的抗震分析

在閥門抗震分析中，常用等效靜力法和反應譜法，這兩種方法都是將地震載荷等效為靜載荷加載到閥門上，最終求出閥門的地震響應，這兩種方法都忽略了地震動三要素之一的持時對閥門的影響。時程分析法是一種瞬態(tài)動力學分析方法，能夠計算結構在地震作用下每一時刻的應力和變形，并且時程分析法還考慮構件的彈塑性特性，可以直接找到構件的薄弱環(huán)節(jié)，尤其是在罕遇地震作用下更為突出。

3.1 全焊接球閥的抗震時程分析

3.1.1 時程分析法及地震波的選取

時程分析法原理：時程分析法是根據結構的彈性或非彈性性能對結構的動力學方程做積分的求解方法，即從初始時刻開始一個時間點一個時間點地逐步計算，將上一時刻的計算結果作為下一時刻的初始條件，直到地震作用結束。時程分析法考慮了地震動3要素：振幅、頻率、持時，同時也考慮了地震環(huán)境和場地的影響；通過動力學分析方法，能夠準確得到結構在地震各個時刻的位移、速度、加速度以及各構件的內力等［10-11］。

多自由度體系在地震作用下的動力平衡方程為：

式中 M，C，K —— 系統(tǒng)的質量矩陣、阻尼矩陣和剛度矩陣；

x ——未知位移向量；

初始條件為

有限元計算時，地震加速度通過時程曲線輸入，在每一個時間步長Δt對式（3）進行積分，從而得到系統(tǒng)的位移、速度、加速度，最終得到系統(tǒng)的內力。

利用規(guī)范反應譜，從PEER（Pacific Earthquake Engineering Research Center）地震數據庫得到名為258的天然地震動加速度數據，再通過單周期點調整法對地震波進行調整，最后得到滿足工程應用的加速度數據［9］，如圖3所示，其中圖3（b）為加速度時程曲線的局部放大。

圖3 加速度時程曲線

3.1.2 地震時程分析

利用ANSYS中的動力學分析模塊Transient Structal進行分析計算，將地震動加速度數據導入該模塊，添加閥門工作壓力壓力10.2 MPa；根據實際安裝位置，對閥座底面和管道兩端面添加固定約束；設置初始時間步長Δt=0.01 s并打開時間步長選項的自動時間步長，該設置可根據頻率響應和非線性響應自動調整時間步長，可縮短計算周期；設置結構阻尼系數α和β；最后選用求解方法為Newmark-β法；通過計算求解得到全焊接球閥在所關心結構自振周期1.3 s時的最大Von-Mises應力及最大總變形，如圖4所示；同時得到球閥在地震反應的最大應力和總變形隨時間變化曲線如圖5所示。

圖4 1.3 s時球閥等效應力及變形

圖5 球閥最大應力及總變形隨時間變化曲線

從圖4可以看出，在1.3 s時刻，球閥的最大應力及變形發(fā)生在閥體與管道（含袖管）連接處，該處因結構發(fā)生突變而促使應力集中，與實際情況相符合。分析球閥最大應力和總變形隨時間變化曲線，發(fā)現由于持時對球閥的影響，球閥的最大應力出現在1.21 s，而球閥的最大變形發(fā)生在1.36 s，且最大應力為147.62 MPa，，最大變形為0.67 mm；同時結合加速度時程曲線和最大應力變化曲線，發(fā)現在地震1 s之后，加速度減小但應力并沒有馬上下降，而是在2 s之后開始逐漸下降，這也是由于持時的影響，上一時刻的地震響應對下一時刻產生了較大影響。結果表明，地震動3要素的持時對結構的應力和變形有較大的影響。

3.2 反應譜法抗震分析

反應譜分析實際上是一種擬動力分析方法，它將結構在動力載荷作用下的復雜響應分解為各階振型獨立的響應，在把各階振型的響應通過不同的方法疊加起來，最終得到結構的響應。反應譜分析包含以下3部分內容：結構振型的求解、在反應譜下計算各振型的結構響應以及各階振型結果的組合［12-15］。

在前面模態(tài)分析的基礎上，利用ANSYS Response Spectrum模塊進行分析計算，將模態(tài)分析計算得到的頻率及振型結果導入該模塊，添加和時程分析相同的約束，同時添加球閥的工作壓力10.2 MPa；導入利用規(guī)范反應譜和加速度反應譜合成軟件SIMQKE生成的加速度反應譜，如圖6所示。

圖6 加速度反應譜

振型組合采用CQC法，方向組合采用SRSS法，最終得到全焊接球閥的最大Von-Mises應力及最大總變形，如圖7所示。球閥最大應力及變形都發(fā)生在閥體與管道連接處，與時程分析法結果相吻合，但應力值比時程分析法較大，這是由于反應譜法只考慮了結構的線性變形階段，是一種較保守的方法。

圖7 反應譜法最大等效應力及變形

3.3 安全性評定及對比分析

球閥為鋼制承壓構件，按照JB 4732－2005要求，結構應力強度的評定方法分為點處理法和線處理法，本文選用線處理法，即按選擇的危險截面把各應力分量沿一條應力處理線進行均勻化和當量線性化處理［9］。在應力最大處沿壁厚建立球閥的應力線性化路徑，如圖8所示［16-17］。

圖8 應力線性化路徑

將該處應力進行線性化處理，從而得到一次薄膜應力Pm、一次薄膜應力Pm+一次彎曲應力Pb的線性化結果如圖9所示。

圖9 應力特性曲線

按照按照JB 4732《鋼制壓力容器—分析設計標準》對該出應力進行評價，根據JB 4732中的相關規(guī)定：一次薄膜應力強度的許用極限為KSm，一次薄膜加一次彎曲應力強度的許用極限為1.5 KSm，再根據JB 4732中表3中確定K值在地震載荷下為 1.2，結果見表 3［13］。

表3 地震動作用下全焊接球閥應力評定

4 結論

（1）利用Ansys對全焊接球閥管線系統(tǒng)進行了有限元數值模擬，得到了球閥管線系統(tǒng)的前6階固有頻率及振型，并計算得到了動力學計算所需的時間步長Δt=0.01 s、系統(tǒng)的瑞利阻尼系數α=3.453、β=0.000 73，以及確定地震波選取所關心的結構自振周期T=1.3 s。

（2）利用時程分析法與反應譜法對全焊接球閥進行了抗震分析計算，發(fā)現全焊接球閥的最大應力及變形都出現在閥體與管道連接處，分析時程分析法計算結果發(fā)現地震動3要素的持時對球閥的應力和變形有較大影響；對最大應力處進行應力線性化處理，并按照JB 4732《鋼制壓力容器—分析設計標準》進行應力評價，結果表明全焊接球閥滿足抗震性能設計要求。

（3）通過分析2種方法的計算結果，得到時程分析法在考慮振幅、頻率、持時、結構彈塑性等特性的情況下相對精準，而反應譜法則相對保守。利用時程分析法能夠較精準的得到全焊接球閥在地震載荷的響應，同時也為今后天然氣管道設備及構件的抗震性能分析研究提供了一種可參考借鑒的手段。