阀门端部载荷试验加载方向的分析

　　对阀门管道端部加载试验的载荷方向进行了分析，验证了ASME QME-1 关于加载方向的合理性。

1、概述

　　核电能动机械设备的鉴定标准ASME QME-1规定了用于核电站的能动机械设备鉴定的要求和准则，其中包括了鉴定的原理、程序和方法。在ASME QME-1 的QVP-7370.1(d) 中对于阀门端部加载试验力矩应当作用于最可能对试验阀门装置产生不利影响的平面和模式。对于大多数的闸阀和截止阀来说，真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为通常考虑为阀杆和管道中心线所在的平面，并趋向于关闭阀盖孔。

2、研究内容

　　在具体的试验过程中，端部载荷通常是使用加载在延伸管道的一段，而力的方向为垂直向上( 图1) 。端部的力矩加载的平面为阀杆和管道中心线所在的平面，这一点符合ASME QME-1 中的要求，力的方向为垂直向上，形成的力矩为逆时针方向并且趋向于关闭阀盖孔，也是符合ASME QME - 1的要求。针对ASME QME-1 规范中端部加载的力矩方向必须趋向于关闭阀盖孔的规定，通过理论的分析和有限元分析作出简要的论证。

3、理论分析

　　将阀门端部加载视为一个梁的弯曲过程。当梁弯曲时，凸边上的纤维拉长，而凹边上的纤维缩短，中性面垂直于载荷作用平面，并通过各截面的形心。因此，任何截面的中性轴均为水平的中性轴。截面保持为水平，纤维的单位应变和应力与距中性面的距离成正比。

图1 端部加载试验

　　设L 为梁截面对中性轴的惯性矩，E 为材料的弹性模量，则可以得到任意点q 的纤维应力σ = -M × Y /L，式中，M 为通过q 点截面上的弯矩，Y 为中性轴至q 点的距离。任意点q 的切应力τ = V × A ×Y' /L × B，式中，V 为通过q 点截面上的垂直剪切力，A 为q 点以上或者以下部分截面的面积，Y'为中性轴至面积A 形心的距离，B 为通过q 点截面上测得的净宽。

　　从梁的弯曲计算基本公式可以得出，任何截面上的最大纤维应力均位于距中性轴最远的一点或者几点上，而梁中的最大纤维应力位于作用有最大弯矩的截面上，最大横向切应力位于作用有最大垂直剪力的截面上，任何截面上的最大横向切应力均位于中性轴上。

　　若将阀门以及管道视为一个变截面的梁，梁的弯曲计算基本公式只能作为参考，因为其只适用于静定梁，超静定问题基本不适用。梁截面的突变会引起很高的局部应力，最大水平和垂直切应力不在中性轴上，而在上下表面上，这样的水平切应力通常容易引起破坏，这种破坏如果存在的话，是由压应力引起的。分析得出，若该应力具有重复性，将会很容易引起疲劳破坏，这也就是ASME 规范在疲劳分析中非常关注阀体转角区域的厚度连续性问题的原因。当然，梁截面突变引起的局部应力也可适当考虑应力集中系数。

　　如果把装在管道上的阀门管道以上延伸部分看成是在梁上的集中力，那么对于一个简支梁或者一端简支一端受力或力矩的梁来说，集中力存在的部位即是弯矩最大的部位。

　　通过理论分析可以得出结论，对于阀门端部载荷引起的弯曲应力，在阀门整体结构突变部位的截面上最大，如果存在破坏，则是由于压应力造成的，可见对于端部力矩的加载方向，应该是趋向于关闭阀盖孔的方向( 逆时针方向) 。

5、结语

　　通过理论分析和有限元分析，验证了ASME QME -1 中对于端部加载试验的规定，( 端部加载) 试验力矩应当作用于最可能对试验阀门装置产生不利影响的平面和模式。对于大多数的闸阀和截止阀来说，通常考虑为阀杆和管道中心线所在的平面，并趋向于关闭阀盖孔。在规范中，同时还考虑了相关的因素，如闸阀或者截止阀在开启和关闭过程中可能会出现的密封件卡塞现象等，这是力矩方向引起的变形问题，可以通过分析其弯曲应力得出论证结果。