閘閥加固中卡子有限元分析與扭矩試驗(yàn)研究

何家勝，劉 杰，陳 才

(武漢工程大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 湖北 武漢 430074)

0 引 言

閘閥是工業(yè)生產(chǎn)中一類非常重要的設(shè)備，主要用于控制管路等通道中介質(zhì)的流量，廣泛應(yīng)用于石油化工、能源電力、原子能等領(lǐng)域.由于很多的管線需要埋在地下，因此很多閘閥也埋在地下，而由于土壤中的介質(zhì)復(fù)雜，可能會(huì)有一些腐蝕性介質(zhì)對(duì)閥體或相關(guān)構(gòu)件產(chǎn)生腐蝕，進(jìn)而容易使閥門發(fā)生失效，如由于腐蝕使結(jié)構(gòu)發(fā)生一定損傷后的結(jié)構(gòu)在應(yīng)力較大時(shí)易發(fā)生應(yīng)力腐蝕失效[1-4].

某公司的埋地管道閘閥(如圖1所示)在檢修中發(fā)現(xiàn)閘閥矩形法蘭上的部分緊固螺釘發(fā)生斷裂，該管道中介質(zhì)為可燃性氣體，斷裂的螺釘很容易導(dǎo)致氣體外泄，進(jìn)而引發(fā)火災(zāi)等嚴(yán)重安全事故.對(duì)斷裂螺釘進(jìn)行相關(guān)檢查，發(fā)現(xiàn)螺釘?shù)臄嗔严祽?yīng)力腐蝕導(dǎo)致.由于整個(gè)管系很長(zhǎng)，閘閥較多，不能短期內(nèi)逐一進(jìn)行停氣檢查，同時(shí)由于上下閥體聯(lián)接部位的螺釘斷在螺孔(盲孔)內(nèi)后很難取出，不易短時(shí)間內(nèi)直接取出換掉，因此決定對(duì)閘閥采取安裝卡子的方式進(jìn)行加固，以保證閘閥安全運(yùn)行.針對(duì)以上的情況，對(duì)卡子進(jìn)行了如下的研究.

圖1 閘閥及加固方案中卡子示意圖

1 幾何模型

卡子的初步結(jié)構(gòu)尺寸(未倒角時(shí))如圖2所示.卡子的夾緊主要是通過擰緊卡子上的六角螺栓，產(chǎn)生夾持力，繼而加載在閘閥上后對(duì)閘閥產(chǎn)生密封力，壓緊閘閥上下法蘭及閘閥中的密封橡膠圈，達(dá)到夾緊狀態(tài).

圖2 閘閥及卡子聯(lián)接簡(jiǎn)圖(單位：mm)

2 有限元模型

2.1 力學(xué)模型

在卡子的ANSYS有限元模型中對(duì)卡子結(jié)構(gòu)給定如圖3所示位移和載荷邊界條件：

位移邊界：圖3中A點(diǎn)和B點(diǎn)位于卡子中部背面中線兩端，其中B點(diǎn)約束X、Y、Z三個(gè)方向的位移，A點(diǎn)約束X、Y方向位移.

載荷邊界：在螺釘中心位置受到力F的作用，其中上部受到向上的作用力，下部受到向下的作用力，大小均為F，如圖3所示.

圖3 卡子模型上的約束和載荷

2.2 ANSYS有限元計(jì)算模型

利用大型通用有限元軟件ANSYS對(duì)卡子進(jìn)行建模分析，進(jìn)行卡子受力的有限元計(jì)算.其中，有限元單元選用三維8節(jié)點(diǎn)的二次結(jié)構(gòu)單元SOLID95，建立的有限元模型如圖4所示[5].

圖4 卡子有限元單元圖

圖5 無(wú)倒角時(shí)應(yīng)力分布圖

從圖5所示的卡子無(wú)倒角時(shí)的應(yīng)力分布計(jì)算結(jié)果中可以看到，卡子的拐角處局部區(qū)域呈現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中，應(yīng)力高達(dá)350 MPa左右，這對(duì)于卡子整體的安全性能會(huì)產(chǎn)生很大的影響，易導(dǎo)致卡子局部失效，進(jìn)而引發(fā)卡子的整體失效.因此，必須對(duì)卡子的拐角處設(shè)置一定的倒角，另外由于卡子與所聯(lián)接的閘閥的上下部分的結(jié)構(gòu)限制，使得卡子的倒角也不能取得過大，否則會(huì)影響卡子的裝夾，因此需要確定一個(gè)合理的倒角數(shù)值.經(jīng)過一定的測(cè)量及計(jì)算，為保證卡子的正常工作，應(yīng)保證卡子的倒角半徑r≤8 mm，為此，運(yùn)用ANSYS參數(shù)化設(shè)計(jì)語(yǔ)言APDL編寫命令流程序，計(jì)算得到r=5 mm、6 mm、7 mm、8 mm時(shí)的卡子應(yīng)力分布(應(yīng)力圖中的最大應(yīng)力出現(xiàn)在卡子上下部分加載集中力F的位置，此處呈現(xiàn)較大的應(yīng)力集中，這主要是由于加載方式為加載集中力引起的，對(duì)所關(guān)心的卡子拐角處的應(yīng)力分布影響不大).

計(jì)算結(jié)果顯示，隨著過渡圓角半徑r的增大，拐角處的應(yīng)力強(qiáng)度下降，且應(yīng)力集中現(xiàn)象逐漸減弱，不同倒角情況下計(jì)算得到的卡子拐角處的最大應(yīng)力如表1所示.

表1不同倒角半徑時(shí)拐角處最大應(yīng)力值

Table 1 The max stress at the corner of clip with different fillet radius

r/mm5678拐角處最大應(yīng)力值/MPa291.90286.06270.34255.31

由于卡子拐角處發(fā)生應(yīng)力集中，從保守的觀點(diǎn)看，只要應(yīng)力強(qiáng)度小于1.5倍的許用應(yīng)力，即能保證安全[6].對(duì)于45#鋼，許用應(yīng)力[σ]=188 MPa，而1.5[σ]=282 MPa，因此從表1中可以看出，r=7時(shí)其拐角處最大應(yīng)力強(qiáng)度為270.34 MPa能滿足安全要求.此時(shí)，應(yīng)力分布如圖6所示.

圖6 有倒角時(shí)(r=7 mm)應(yīng)力分布圖

同時(shí)按應(yīng)力分類和彈塑性失效準(zhǔn)則，只要σmax<3[σ]=564 MPa，即能滿足安全要求，因此r=7能滿足強(qiáng)度條件.所以卡子的拐角半徑取r=7 mm.

3 試驗(yàn)研究

在卡子的現(xiàn)場(chǎng)安裝過程中，施工人員基本是靠扳手直接擰緊卡子上的螺栓，直到螺栓不能擰動(dòng)為止，但是此時(shí)可能由于擰緊扭矩過大使得卡子的內(nèi)力過高了，這極易引發(fā)卡子在土壤中的腐蝕性環(huán)境中發(fā)生應(yīng)力腐蝕失效.由于在發(fā)現(xiàn)螺釘斷裂情況后，企業(yè)緊急制造了一批卡子(如圖1所示)對(duì)閘閥進(jìn)行加固，為防止卡子在安裝過稱中由于擰緊力矩過大而發(fā)生上述失效，因此需要確定一個(gè)能保證卡子對(duì)閘閥良好密封性能的卡子擰緊扭矩.為了能夠準(zhǔn)確地得到這個(gè)擰緊扭矩值，于是開展了以下的卡子擰緊扭矩測(cè)量試驗(yàn).

此試驗(yàn)的試驗(yàn)方案如下：首先假設(shè)閘閥處于螺釘全部斷裂失效的極限情況，僅由如圖7所示的6個(gè)卡子對(duì)閘閥進(jìn)行夾緊密封，根據(jù)閘閥的壓力和幾何尺寸可以得到每個(gè)卡子應(yīng)該提供至少7 356 N的密封載荷，而通過圖5所示的有限元計(jì)算得知，單個(gè)卡子在提供7 356 N的密封載荷時(shí)，卡子中間內(nèi)表面附近區(qū)域的應(yīng)力為240 MPa.所以，要保證擰緊力矩的值不會(huì)過大，可以通過在卡子中間內(nèi)表面設(shè)置應(yīng)變片(如圖8所示)，由應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系式(1)轉(zhuǎn)換得到卡子中間內(nèi)表面應(yīng)力為240 MPa時(shí)此區(qū)域的相應(yīng)的應(yīng)變量ε=1 200.

σ=E×ε

(1)

式(1)中，E為材料的彈性模量，對(duì)于本實(shí)驗(yàn)中的卡子為45#鋼，其E=2×105MPa為確定值；ε為測(cè)試點(diǎn)處材料的形變量，為試驗(yàn)中需要測(cè)試的值.

利用電阻應(yīng)變儀采集應(yīng)變片上的應(yīng)變量，當(dāng)電阻應(yīng)變儀上的數(shù)值達(dá)到由上式計(jì)算得到的ε=1 200時(shí)，扭力矩扳手上的數(shù)值即為所需的保證卡子正常密封的擰緊扭矩值M.

圖7 卡子裝夾示意圖

圖8 卡子上的應(yīng)變片位置示意圖

根據(jù)以上的方案進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D9所示，在卡子上施加扭矩，直到應(yīng)變儀數(shù)值增大到1 200左右時(shí)結(jié)束加載，加載完成時(shí)電阻應(yīng)變儀上的數(shù)值如圖10所示.試驗(yàn)結(jié)果顯示，加載完成所需的扭矩值為13 N·m，后將此結(jié)果與相關(guān)工程人員實(shí)際操作中的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)此數(shù)值結(jié)果較實(shí)際操作中的數(shù)值略低，說(shuō)明實(shí)際操作中的扭矩值可能過大，應(yīng)該降低到13 N·m.另外，為了防止卡子在夾持閘閥的過程中由于管系和環(huán)境的原因發(fā)生震動(dòng)而松脫，因此提出了在卡子夾持位置設(shè)置橡膠墊的方案，同時(shí)也對(duì)有橡膠墊的情況進(jìn)行了試驗(yàn)研究.

圖9 卡子應(yīng)力測(cè)試試驗(yàn)圖

圖10 電阻應(yīng)變儀上的數(shù)值

對(duì)以上的兩種方案進(jìn)行試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果顯示，要使卡子內(nèi)側(cè)應(yīng)力為240 MPa，則螺栓上應(yīng)加載的扭矩值為：

(1)不加橡膠墊時(shí)扭矩值M=13 N·m

(2)加橡膠墊時(shí)扭矩值M=15 N·m

然后對(duì)上述扭矩值在閘閥上進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，效果良好，表明試驗(yàn)結(jié)果具有較高的準(zhǔn)確性.

4 結(jié) 語(yǔ)

a.利用ANSYS對(duì)卡子結(jié)構(gòu)提供7 356 N密封載荷時(shí)的情況進(jìn)行有限元結(jié)構(gòu)計(jì)算，分析卡子中的應(yīng)力分布，得知此時(shí)卡子中間內(nèi)表面上的應(yīng)力為240 MPa.同時(shí)，在卡子的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，為了緩解卡子拐角處的應(yīng)力集中，并保證卡子的安全，拐角處的半徑值可取r=7 mm.

b.為了防止閘閥加固方案中的卡子在安裝過程中由于擰緊扭矩過大而產(chǎn)生過大的內(nèi)力，在環(huán)境腐蝕的作用下發(fā)生應(yīng)力腐蝕失效，設(shè)置了卡子擰緊扭矩的測(cè)試試驗(yàn).結(jié)果表明：卡子中間內(nèi)側(cè)表面上的應(yīng)力為240 MPa時(shí)擰緊卡子螺栓所用的彎矩值M=13 N·m，實(shí)際安裝中擰緊螺釘?shù)呐ぞ刂挡粦?yīng)超過此值.

c.對(duì)上述扭矩值在閘閥上進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，效果良好，表明試驗(yàn)結(jié)果具有較好的準(zhǔn)確性.

參考文獻(xiàn)：

[1] 何家勝,危衛(wèi),魯錄義，等.晶界損傷對(duì)裂尖應(yīng)力場(chǎng)的影響分析[J].武漢工程大學(xué)學(xué)報(bào),2008,30(3):87-89.

[2] 李軍業(yè),蔣琦.核電閥門設(shè)計(jì)規(guī)范的應(yīng)用及分析[J].閥門,2005(3):18-21.

[3] 谷志剛,郝德中,李偉航.儲(chǔ)氣塔閥門緊固螺栓的斷裂分析[J].理化檢驗(yàn)-物理分冊(cè),2007,43(3): 147-150.

[4] 張?jiān)缧?工程材料[M].北京:清華大學(xué)出版社,2007：304-326.

[5] 曹占飛.法蘭、螺栓連接系統(tǒng)的三維有限元分析[J].石油化工設(shè)備技術(shù),2004,25(6):17-21.

[6] 劉明,劉金梁,王澤清.高參數(shù)閘閥閥體強(qiáng)度應(yīng)力分析[J].鍋爐制造,2007(4):65-68.