王 偉，李 勇

（1.核工業(yè)工程研究設(shè)計有限公司，廣東陽江 529500；2.中國核工業(yè)二三建設(shè)有限公司惠州分公司，廣東惠州 516200）

0 引言

球閥是改變介質(zhì)流向、分配流量、阻斷流量的裝置，其功能類似于開關(guān)、切斷閥。在電廠生產(chǎn)中，球閥的應(yīng)用極為廣泛，但由于運(yùn)行環(huán)境的特殊性，球閥需要具備良好的耐高溫、承受載荷能力，這對球閥設(shè)計的材料選取與強(qiáng)度性能校驗(yàn)提出了較高的技術(shù)性要求。本文圍繞電廠球閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計以及強(qiáng)度校驗(yàn)展開討論，從理論基礎(chǔ)看，現(xiàn)階段與電廠球閥的文獻(xiàn)研究偏少，研究方向主要集中在球閥密封檢測[1-3]、球閥內(nèi)漏故障的設(shè)計改進(jìn)[4-5]等方面，羅利梅[6]針對高溫耐磨球閥的設(shè)計進(jìn)行研究，從工作原理出發(fā)，以保證閥門的密封、壽命等為目的，對壁厚、密封力的綜合計算方法進(jìn)行了介紹，并利用公式法驗(yàn)算了閥桿的強(qiáng)度，但未對球閥的強(qiáng)度性能進(jìn)行仿真分析；楊熙翀等[7]以球體、閥座的摩擦力矩計算為著眼點(diǎn)，以解決球閥出廠測試、運(yùn)行異常等問題為目標(biāo)，對球閥設(shè)計制造環(huán)節(jié)內(nèi)部零件的質(zhì)量控制進(jìn)行了討論，但并未給出系統(tǒng)的設(shè)計思路與校驗(yàn)方法?，F(xiàn)有文獻(xiàn)從不同角度探討了不同性能球閥的設(shè)計問題，提出了球閥設(shè)計軟件的開發(fā)思路，利用公式計算、對比試驗(yàn)等方式給出了有益的建議，而有關(guān)球閥結(jié)構(gòu)設(shè)計中關(guān)鍵參數(shù)的計算、校驗(yàn)與性能指標(biāo)的校驗(yàn)方法則散見于各類文獻(xiàn)資料、專業(yè)著作中。對常規(guī)球閥設(shè)計任務(wù)，閥口相關(guān)的計算工作可以通過沿用現(xiàn)有的材料力學(xué)理論以及簡化處理的經(jīng)驗(yàn)公式來實(shí)現(xiàn)，壁厚和壓力的確定可以參照某些經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，各類文獻(xiàn)得出的結(jié)論也能夠提供有益的參考，但在涉及到特種閥體的超臨界、高參數(shù)問題時，上述策略將面臨失效風(fēng)險。為此，本文擬從仿真分析的視角出發(fā)，審視球閥結(jié)構(gòu)設(shè)計中的強(qiáng)度設(shè)計、應(yīng)力分析問題，希望提出一種有效的仿真分析策略，解決特種閥體的設(shè)計難題。

1 球閥結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 球體半徑R確定

設(shè)計球閥首先應(yīng)確定球體外圓半徑R，確定的依據(jù)是球體通道直徑和介質(zhì)工作壓力P，如圖1所示。當(dāng)α=36°時，，設(shè)計DN=25 mm，故實(shí)際設(shè)計尺寸應(yīng)滿足R實(shí)際≥R設(shè)計=21.27 mm。

圖1 球閥球體半徑確定

球閥在達(dá)到密封時所需的密封面寬度如圖2所示。

圖2 球閥密封面寬度

首先要以密封原料的許用比壓作為根據(jù)，通過必不可少的密封面的比壓公式，可根據(jù)下式初步算出密封圈的寬度bM：

如果采用聚四氟乙烯制作閥座密封圈，則許用比壓為[q]=17.5 MPa；c代表系數(shù)相關(guān)密封面材料，針對聚四氟乙烯c=1.8，c為密封條件已確定的情況下，參照的影響系數(shù)為質(zhì)壓力對比壓值，針對聚四氟乙烯，k=0.9。把以上數(shù)值代入式（1），經(jīng)計算得：

上式中p為設(shè)計壓力，通常取公稱壓力pN數(shù)值的，經(jīng)計算，bM=0.11。

對于閥座密封圈，用金屬圈加固時，許用擠壓應(yīng)力可適當(dāng)加大。因此無論球閥的狀態(tài)是開啟還是關(guān)閉，球體與密封面寬度都要大于bM，L代表兩倍于密封面的寬度投影，理應(yīng)增大的球體半徑a。因?yàn)?，所以，所以必須增加球體直徑為，則球體半徑，該數(shù)值是滿足球體密封的最小直徑。例如加大球體強(qiáng)度以及球體直徑的合理增加。將數(shù)據(jù)代入，可以求得=21.35 mm，為方便計算，本設(shè)計中取R實(shí)際=21.5 mm。

1.2 球閥中體最小壁厚計算

依據(jù)AP16D-2008和GB/T20173-2006標(biāo)準(zhǔn)要求，對球閥的角焊縫強(qiáng)度有效系數(shù)取0.75，即是局部無損檢測。也就是中體和頸部的焊接，屬于角焊縫，只能做表面無損檢測，即MT或PT，不能做射線無損檢測，也不能做超聲波無損檢測[8-9]。因此，角焊縫的強(qiáng)度有效系數(shù)才取0.75，也就是用加厚壁厚，增加焊縫深度，來彌補(bǔ)由于焊縫不能進(jìn)行全面100%的射線檢測可能出現(xiàn)的缺陷。

因此，全焊接球閥中體和左、右體的最小壁厚的計算，按GB/T12224-2005標(biāo)準(zhǔn)計算最小壁厚應(yīng)為：

式中：tB為考慮內(nèi)壓的最小計算壁厚，mm；pN為公稱壓力數(shù)值，取63；S為應(yīng)力系數(shù)，取48.3 MPa；DN為閥體中腔最大內(nèi)徑，取15 mm；E為焊縫強(qiáng)度有效系數(shù)，取0.75；k為系數(shù)，當(dāng)pN=63時，k=0.91；C1為附加裕量，由pN和DN共同確定，這里取2.63 mm。

將數(shù)據(jù)代入可以計算得tB=3.40 mm，綜合考慮在設(shè)計時最小壁厚取5 mm。

1.3 閥體最小壁厚校核

1.3.1 校核一次薄膜應(yīng)力

通過介質(zhì)壓力對閥體的作用，高應(yīng)力區(qū)呈現(xiàn)在閥體中腔與流道的連接的地方，拐角區(qū)一次薄膜應(yīng)力校核參考ASME III-NB分卷的壓力面積法[10]。

針對閥體一次薄膜整體的應(yīng)力，其所使用的標(biāo)準(zhǔn)計算壓力Ps需依據(jù)ASME B16.34插值獲取與材料相關(guān)的壓力-溫度（260℃）基準(zhǔn)值：

其中，P1=3.34 MPa，為球閥原料316Ti在250℃、Class300下的基準(zhǔn)值；P2=3.16 MPa，為閥體材料316Ti在250℃、Class300下的基準(zhǔn)值；Ps=3.304 MPa。

球閥一次薄膜應(yīng)力整體強(qiáng)度的判斷：

式中：Am為金屬界線面積，Am=750.77mm2；Af為流體界線面積，Af=1 566.60 mm2。

計算可得，Pm=8.55 MPa＜[σ]=123.4 MPa（260℃下，316Ti的許用應(yīng)力），所以一般狀態(tài)下能夠符合設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。

1.3.2 校核一次薄膜應(yīng)力加彎曲應(yīng)力

應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)在A級的情況下，球閥進(jìn)行校核一次薄膜應(yīng)力加彎曲應(yīng)力公式為：Pm+Peb＜1.5SPm為一次薄膜應(yīng)力，Pm=8.55 MPa；Peb為彎曲應(yīng)力，；Cb=0.115，由于Cb≤1，取Cb=1；，f0=137.9 MPa，故Fb=1205.9。

Gb為危險截面彎曲的斷面模數(shù)：

S為260℃狀態(tài)下管道材料屈服強(qiáng)度，材料未知，取S=200 MPa；又Gb=42 573.98；Peb=5.3 MPa；故Pm+Peb=13.85＜1.5[σ]=5.3 MPa，滿足要求。

2 球閥閥口強(qiáng)度的有限元仿真分析

在構(gòu)成閥口的構(gòu)件中，閥體是最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，承擔(dān)著流動渠道和承受壓力的重要功能[11]。分析閥體的作業(yè)環(huán)節(jié)，工作流體一直沖擊內(nèi)壁，在閥口工作過程中，閥體的內(nèi)壁受到工作流體沖擊，墊片力和螺栓力都由不同的法蘭分別承受，同時在關(guān)閉閥門后，閥座又要遭受密封力的沖擊[12]。另外，閥體更要應(yīng)對工作介質(zhì)的水溫波動、水擊、振動等形成的附加力，除了各種力的施壓，還要面臨工作介質(zhì)的沖擊和腐蝕。

基于球閥表現(xiàn)比較復(fù)雜的工況，針對閥體應(yīng)力的布置必須重視解決兩個問題：（1）應(yīng)力集中問題；（2）最大應(yīng)力位置。應(yīng)力集中與球閥的結(jié)構(gòu)有關(guān)，局部區(qū)域形成的高應(yīng)力是最大的威脅，也影響承載能力的提升?？赡艹霈F(xiàn)應(yīng)力相對集中區(qū)域包括閥體與板筋及法蘭相連的位置、閥座底部倒圓角以及厚壁變化的地方等。最大應(yīng)力位置是閥體設(shè)計的重點(diǎn)，在初步確定設(shè)計方案后，需要通過強(qiáng)度校核結(jié)果來客觀判斷閥體是否能夠運(yùn)行。若最大應(yīng)力位置承受的實(shí)際應(yīng)力超出材料本身的強(qiáng)度極限，則裝置的運(yùn)行勢必會受到影響。設(shè)計過程中，載荷分布差異以及球閥的構(gòu)造等因素，都可對應(yīng)力分布情況產(chǎn)生影響。

2.1 有限元仿真分析步驟

對于本文介紹的仿真有限元分析法，第一個步驟就是建立模型，其目的就是構(gòu)建一個可以表現(xiàn)實(shí)際原型設(shè)計的數(shù)學(xué)模型。建模的步驟也是整體系統(tǒng)的預(yù)處理過程，為后續(xù)的數(shù)據(jù)運(yùn)算提供全面的初始數(shù)據(jù)，比如單元、節(jié)點(diǎn)和界線條件等。因?yàn)槟Ｐ偷臉?gòu)建方式可以左右數(shù)值運(yùn)算的精度，而且整個仿真分析時間72%都花費(fèi)在模型建立上，所以，建模的質(zhì)量和效率是整體有限元仿真分析質(zhì)量優(yōu)劣的關(guān)鍵因素。

本文研究的第一步就是建立閥體的實(shí)體模型，以此為依據(jù)構(gòu)建仿真分析模型，可以通過以下步驟進(jìn)行。

（1）三維模型構(gòu)建?；贏NSYS的三維建模有構(gòu)建實(shí)體模型以及直接生成兩種策略。后者需要操作者手動入手各個節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)，需要提前對擬建模型的單元規(guī)格、各部分之間的內(nèi)在聯(lián)系等要素進(jìn)行綜合考慮，提前完成各種相關(guān)計算，且直接生成的模型具有高差錯風(fēng)險、難以調(diào)整等特點(diǎn)，在仿真分析中并不常用，一般只用于簡單模型的構(gòu)建。本研究針對球閥設(shè)計，球閥模型屬于復(fù)雜模型，考慮使用構(gòu)建實(shí)體模型法，按照組建幾何模型→劃分網(wǎng)格→生成有限元模型的次序有序構(gòu)建三維模型。出于算法層面的考慮，本球閥的幾何模型使用Solidworks完成構(gòu)建，具體如圖3～4所示。需要說明的是，閥口的建模難度偏高，計算量、占用內(nèi)存空間較大，且閥口仿真不是此次研究的重點(diǎn)，故本模型對其進(jìn)行了適當(dāng)簡化。

圖3 球閥整體三維圖

圖4 閥體剖面圖

將三維模型導(dǎo)入Solidworks中，以sat格式保存文件，在有限元仿真軟件中將文件輸入。

（2）設(shè)定有限元仿真條件。分析類型為structural，單元為solid187；各項同性材料等同于閥體，楊氏模量E=2.1×105MPa，泊松比μ=0.26，同時根據(jù)重力影響，給出密度ρ=7.85 g/cm3，重力加速度9.8 m/s2；智能網(wǎng)格可以設(shè)定最精細(xì)的一級，控制整體的單元規(guī)格為5 mm；固定兩端面的同時進(jìn)行Y向剖面固定；進(jìn)行載荷和約束的施加；進(jìn)行全約束法蘭斷面，以Y向約束剖面。將適宜的壓力和載荷施加到流體與閥口接觸面；本次采用PCG預(yù)條件共扼梯度法作為閥口的有限元仿真分析求解器。

（3）結(jié)果分析。在笛卡爾坐標(biāo)系中檢查模型中各個節(jié)點(diǎn)的具體情況，參考模擬結(jié)構(gòu)，確定測試坐標(biāo)，并根據(jù)應(yīng)力值、應(yīng)變和云圖的變形情況，進(jìn)行閥口承載狀況的分析。

（4）材料屬性的確定。可以設(shè)定運(yùn)算系統(tǒng)中閥口應(yīng)用的材料等同于各項同性材料，在進(jìn)行閥口應(yīng)力分析過程中不僅要確定泊松比，更要考慮閥口材料的彈性模量、密度等因素。

（5）劃分智能網(wǎng)格。劃分網(wǎng)格單元的原則為“粗劃分適用均勻的應(yīng)力區(qū)，細(xì)化分適宜應(yīng)力梯度大的區(qū)域”，對球閥的網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖5所示。

圖5 模型的網(wǎng)格劃分結(jié)果

（6）施加約束和載荷。ANSYS軟件允許在有限元或者實(shí)體模型上施加載荷，而載荷方式的選擇不會對作用結(jié)果產(chǎn)生影響，初始化完成后，載荷作用可以順利地轉(zhuǎn)換至模型上。與在有限元模型上施加約束、載荷的方式相比，直接作用于實(shí)體模型不受網(wǎng)格限制，且操作簡單，因此，本研究考慮直接作用于實(shí)體模型的策略，將全約束施加至法蘭斷面，Y向約束施加到剖面上。將壓力載荷施加到流體和閥口內(nèi)的接觸面上。必須考慮重力原因，將Z向重力加速度設(shè)定為9.8 m/s2。

（7）求解計算。本研究采用PCG預(yù)條件共扼梯度法作為求解器，因?yàn)樵摲绞阶罘暇?xì)網(wǎng)格模型和實(shí)體模型的求解，在有限元軟件家族中占據(jù)重要地位。

綜上所述，本研究的有限元仿真設(shè)定以下條件：結(jié)構(gòu)靜力學(xué)模型，單元為solid187；閥體材料的楊氏模量E=2.1×105MPa，泊松比μ=0.26，密度ρ=7.85 g/cm3，重力加速度9.8 m/s2；設(shè)定的智能網(wǎng)格為一級，總體的單元規(guī)格限定在5 mm；通過三相固定兩端面，以Y向固定剖面；求解器采用共扼梯度法PCG。

2.2 有限元仿真結(jié)果分析

球閥閥體壁厚9 mm，閥體材料為WCB，全稱為“可焊高溫用碳素鋼鑄鋼”，根據(jù)ASTMA216標(biāo)準(zhǔn)，其抗拉強(qiáng)度σb=485～655 MPa、屈服強(qiáng)度σs=250 MPa，楊氏模量E=2.1×105MPa，泊松比μ=0.26，密度ρ=7.85 g/cm3。球體材料A105+ENP用ENP工藝處理的鍛鋼，其抗拉強(qiáng)度σb≥540 MPa、屈服強(qiáng)度σs≥315 MPa，楊氏模量為E=2.1×105MPa，泊松比μ=0.26，密度ρ=7.85 g/cm3。

材料的許可破壞應(yīng)力除以安全系數(shù)，就可以求解出材料的許用應(yīng)力，我國的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定抗拉強(qiáng)度安全系數(shù)的最小值為3，而屈服強(qiáng)度的最小值為1.6。因此，針對許用應(yīng)力，WCB材料為[σ]=156 MPa，球體材料A105+ENP為[σ]=196 MPa。設(shè)定球閥在Z向重為加速度為9.8 m/s2，壓力載荷為P=2 MPa時的應(yīng)力云圖。

（1）球閥的等效應(yīng)力分布

第三強(qiáng)度理論認(rèn)為，在材料承受的應(yīng)力強(qiáng)度超過其許用應(yīng)力之后，材料將出現(xiàn)屈服破壞現(xiàn)象。而根據(jù)第四強(qiáng)度理論，排除溫度變化帶來的影響，在靜載條件下，彈性體的受力達(dá)到一定條件出現(xiàn)明顯變形后，可出現(xiàn)材料破壞現(xiàn)象，而畸變能密度在這一過程中有著關(guān)鍵作用。等效應(yīng)力類似于上述的畸變能密度，材料破壞表現(xiàn)如下的強(qiáng)度條件：

式中：σ1,σ2,σ3分別為3種主應(yīng)力；[σ]為材料的許用應(yīng)力。

如圖6所示，球體的最大應(yīng)力區(qū)為內(nèi)壁中部和底部，應(yīng)力最大值為26.29 MPa，明顯低于WCB材料的許用應(yīng)力。

圖6 球閥的等效應(yīng)力云圖

（2）球閥的環(huán)向應(yīng)力分布

圖7所示為球閥的環(huán)向應(yīng)力云圖，由圖可知，有較大應(yīng)力在球體內(nèi)壁中，最大應(yīng)力為8.60 MPa，許用應(yīng)力明顯低于WCB材料。

3 結(jié)束語

特種球閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計是電廠球閥設(shè)計的難點(diǎn)，既往的公式估算方法以及經(jīng)驗(yàn)系數(shù)在面對特種球閥設(shè)計任務(wù)時容易出現(xiàn)失效現(xiàn)象。本研究從現(xiàn)有電廠球閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計經(jīng)驗(yàn)出發(fā)，對設(shè)計過程中的球徑、閥體最小壁厚參數(shù)計算進(jìn)行了說明，并對球閥強(qiáng)度性能的方針分析做了討論，提出了一種能夠有效應(yīng)用于球閥強(qiáng)度校驗(yàn)的仿真分析方法。從校驗(yàn)原理與分析結(jié)果來看，本研究提出的有限元仿真分析方法能有效處理特種球閥的強(qiáng)度校驗(yàn)問題，根據(jù)球閥設(shè)計的實(shí)際要求，合理確定有限元仿真分析的條件，軟件輸出的等效應(yīng)力云圖、環(huán)向應(yīng)力云圖將幫助設(shè)計人員準(zhǔn)確地判斷球閥的設(shè)計強(qiáng)度，規(guī)避球閥設(shè)計缺陷。

圖7 球閥的環(huán)向應(yīng)力云圖