耿 博， 劉 倩

（艾默生過程管理（天津）閥門有限公司， 天津 301700）

引言

閥體壁厚是控制閥設計考慮的諸多關鍵要素之一。各設計標準對控制閥壁厚要求和強度校核方法也作出了明確規(guī)定，例如，美國工程師協(xié)會（American Society of Mechanical Engineers）標準B16.34[1]是控制閥行業(yè)應用最為廣泛的設計標準之一，其根據(jù)控制閥的口徑和磅級，對閥體的最小壁厚作出了詳細規(guī)定。此外，美國工程師協(xié)會鍋爐與壓力容器標準（ASME BPVC）還提供了不同的方法，用以驗證閥體壁厚強度。壓力管道標準（ASME B31.3）也提供了計算壓力管道壁厚的方法。

翼型由壬接頭（Swing Union Connection），又稱錘擊由壬接頭（Hammer Union Connection），是一種快速拆裝接頭，廣泛應用于油氣管道上。由于其便于拆裝，起初被大量用于臨時裝置上。目前翼型由壬接頭也被越來越多地應用于固定裝置上，如連接控制閥門和管道等。

翼型由壬接頭結構如圖1 所示，其緊固螺母部分螺紋為梯形螺紋，便于安裝拆卸，節(jié)省安裝空間，并且可以提供足夠的預緊力來保證密封和緊固連接。翼型由壬接頭的型號決定了其壓力磅級。例如，型號為Fig.1502 翼型由壬接頭的冷工作壓為15 000 psi，可用的公稱尺寸為1”到4”。

圖1 翼型由壬接頭結構

當翼型由壬接頭被直接加工于閥體上時，接口作為閥體的一部分，對于其所在區(qū)域的局部壁厚，也需要基于閥體最小壁厚的要求進行校核驗證。

1 閥體形狀結構

本文所分析的閥體公稱尺寸為NPS 2，壓力磅級為API 10 000 psi，連接端為翼型由壬接頭，并與閥體和閥蓋分別連為一體，尺寸為2”,型號為Fig.1502。其外形結構如圖2 所示。

圖2 帶翼型由壬接頭的閥體外觀

2 閥體壁厚設計驗證

2.1 ASME B16.34 壁厚要求

ASME B16.34 是應用最為廣泛的控制閥標準之一。故本文首先根據(jù)ASME B16.34，對該閥體最小壁厚的設計進行了驗證。該閥體的結構及主要尺寸如圖3 所示。

由ASME B16.34，6.1.2（a）段和圖3 所示閥體進出口及腔體尺寸可以確定，該閥體內徑為47.8×0.9=43.1 mm。

圖3 閥體結構（單位：mm）

閥體壓力磅級為API 10 000 psi，根據(jù)B16.34 表VII-2 換算得其壓力磅級為Class 4000。根據(jù)B16.34 表3A，通過線性插值法計算得最小壁厚為tm=31.6 mm。

由圖3 可知，由于該閥體使用了翼型由壬接口，所以閥體端口處及其過渡部分外徑尺寸取決于標準翼型由壬接口尺寸，其進出口部分壁厚為20.5 mm和24 mm，均小于ASME B16.34 所要求的最小壁厚。故該閥體接口部分難以通過增加壁厚滿足B16.34的要求。因此，為了進一步驗證閥體強度，本文尋求其他設計標準和方法，對閥體壁厚進行校核計算。

2.2 ASME BPVC 公式計算壁厚設計法

ASME BPVC 第八卷第二章第四節(jié)4.3.3 中，規(guī)定了圓筒狀承壓件壁厚計算公式[2]，具體如下：

式中：D 為承壓件內腔直徑；P 為設計壓力；S 為承壓件材料許用應力；E 為鑄造質量系數(shù)。

由于該閥體和閥蓋結構非常接近圓筒形狀，故可以根據(jù)式（1）進行最小壁厚計算，驗證其閥體壁厚。

根據(jù)該閥體流道形狀，閥體的不同區(qū)域具有不同內徑。根據(jù)不同的內徑，對閥體不同區(qū)域分別進行計算，閥體最小壁厚計算結果見表1。

表1 壁厚設計計算結果

美國石油協(xié)會（American Petroleum Institute）標準中對承壓件設計方法也作了相關的規(guī)定。API 6A（2010）4.3.3.2 設計方法中規(guī)定：ASME BPVC 第八卷第二章的公式計算壁厚設計法可以用來對承壓件進行設計計算。因此可以認為，表1 的計算結果代表了ASME BPVC 和API 6A 兩種設計標準所規(guī)定的公式計算方法的閥體最小壁厚設計計算結果。

2.3 ASME B31.3 公式計算壁厚設計法

ASME B31.3 壓力管道標準中304.1.2（a）規(guī)定了壓力管道壁厚計算公式[3]，如下：

式中：d 為管道內腔直徑；P 為設計壓力；S 為管道材料最大許用應力；E 為質量系數(shù)；W 為焊接系數(shù)；c為加工余量；Y 為材料系數(shù)。

由該閥體和閥蓋結構圖可以看出，該閥體結構非常接近直管道形狀，因此根據(jù)標準ASME B31.3的管道最小壁厚公式對最小壁厚進行了計算。

表2 中列出了根據(jù)公式計算所得的閥體設計最小壁厚結果。

表2 B31.3 壁厚計算結果

2.4 ASME BPVC 仿真分析壁厚設計法

ASME BPVC 第八卷第二章第五節(jié)規(guī)定了計算機仿真分析法，用以對承壓件閥體進行強度分析。

本文根據(jù)BPVC 的規(guī)定，對該閥體進行了仿真分析。仿真分析中設置溫度為21 ℃和壓力載荷為68.9 MPa。仿真結果如圖4 和表3 所示。

圖4 仿真結果應力（Pa）云圖

表3 不同標準應力結果

由圖4 和表3 可知，該閥體可以滿足ASME BPVC 第八卷第二章第五節(jié)計算機仿真分析法所規(guī)定的強度要求。

3 討論

本文用三種標準規(guī)定的最小壁厚計算方法對翼型由壬接頭閥體的最小壁厚進行了計算，計算結果見表4。

表4 不同標準最小壁厚計算結果

通過表4 對比不同計算方法所得的最小壁厚結果可以發(fā)現(xiàn)，ASME B16.34 標準對閥體最小壁厚的規(guī)定并沒有針對閥體的不同形狀進行區(qū)分，并且相較于BPVC 和B31.3 標準的公式計算所得最小壁厚更加保守。

BPVC 和B31.3 標準在計算最小壁厚時，根據(jù)閥體內徑對閥體不同的部位進行了區(qū)分。BPVC 的公式是針對圓筒狀承壓件，B31.3 是針對承壓管道，根據(jù)兩標準所規(guī)定公式計算所得最小壁厚結果較接近。

為了進一步校核閥體強度，根據(jù)閥體設計的功能要求，在計算結果的基礎上對閥體壁厚進行了調整，并根據(jù)ASME BPVC 仿真分析法對閥體壁厚設計進行了仿真計算。結果顯示，該閥體結構完全可以滿足BPVC 所規(guī)定的仿真分析法對閥體壁厚強度的要求。

因此，ASME B16.34 對閥體最小壁厚的要求更為保守。在閥體設計中，針對閥體的具體形狀，結合ASME BPVC 和ASME B31.3 對閥體最小壁厚進行計算，并利用計算機仿真分析法對設計進行驗證，也可以作為閥體壁厚校核的一個方法。