基于ABAQUS的高压球阀球体有限元分析

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)江汉石油钻头股份有限公司 作者:刘洋

  在球阀的设计制造中,为尽可能地保证产品质量和缩短产品制造周期、延长产品使用寿命,在对球体的受力情况进行理论分析的基础上,对3种工况下球体的受力情况进行了有限元模拟,并对球体整体应力、最大变形处与最薄弱环节做了评价,找出整个球体的应力大小及载荷分布情况,得出此类球阀能够满足强度要求的结论。

  传统的球阀在使用过程中,常常因为球体与阀座的配合误差而导致咬伤、卡塞或划伤等问题。为了改善这些不足,现今在西气东输管道设计项目中使用了大口径、耐高压、耐腐蚀的高可靠性球阀。而在这种球阀的设计制造中,为尽可能地保证产品质量、延长产品的使用寿命,作者采用有限元数值模拟的方法,对3种工况下球体的受力情况进行了强度分析,并对整体应力、最大变形处、最薄弱环节做了评价,这对预先检测产品潜在的问题,改善产品的可靠性和安全性,减少产品的制造费用及现场的设计和使用具有指导意义。

1、球体力学分析模型

  球体结构为对称的薄壁结构,是整个球阀中体积和质量最大、承受最高压力的部件,其结构与材料质量直接影响内部应力分布和产品的安全性,当球阀工作时,球体在开启和关闭过程中,管道内的气体将会流向中腔内部,所以对其进行强度分析十分必要。在此,选取3种工况下球体的受力情况进行分析,图1为某大型球阀的结构图。

  (1)流道内有压力10MPa,中腔无压力由于球阀尚未开启,流入管道内的气体直接作用在阀座支撑圈上,压迫阀座紧压球体产生预密封作用,管道内的气体将不能通过缝隙进入中腔内部。因此在分析时,球体上游端在流道内介质压力(10MPa)的作用下,使阀座支承圈和阀座一起压向球体。

某型号大口径球阀装配图

图1 某型号大口径球阀装配图

  (2)流道内压力10MPa,中腔内压力13.3MPa在特定的条件下,管道内的气体进入中腔,这时球体将受两种载荷的作用:第一种是在上游端流道内介质压力(10MPa)的作用,使阀座支承圈和阀座一起压向球体;第二种是在下游端中腔内介质压力(13.3MPa)的作用,使阀座支承圈和阀座一起压向球体。

  (3)流道内无压力,中腔内压力13.3MPa(试验工况)当中腔压力为13.3MPa、两端流道无压力时,此时球体的上游端和下游端同时受到中腔内介质压力(13.3MPa)的作用,使阀座支承圈和阀座一起压向球体。

结论

  (1)阀体有限元分析结果表明,无论在10MPa的工作压力下还是在阀体无袖管时13.3MPa的试验压力下,阀体都有足够的强度保证安全。最大应力值在阀体和袖管连接处,阀体的最大位移保持在0.75mm以下。

  (2)从对球体在3种不同压力载荷作用下的分析结果可以得出:在3种不同工况下,球体所受到的应力值变化不大,都处在100MPa以下;3种情况下球体的位移量都处在一个很小的范围,对球阀的密封影响不会太大。因此,在上述3种不同实际工况下,球体工作状态都比较安全。

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