高溫高壓大口徑金屬固定球閥數值模擬計算

徐佳琦+陸心怡++陳玉

摘 要：閥門廣泛應用于國民經濟的各個主要領域，是能源、石化、冶金、電力等行業裝備、機械與管線等固定資產中的關鍵設備之一。文章應用Ansys對大口徑石油管道內高溫高壓金屬固定球閥進行計算機輔助數值模擬計算與分析，為閥門產品改進設計提供理論參考依據。

關鍵詞：計算機輔助數模分析；球閥；Ansys

1 概述

閥門是流體控制系統的關鍵設備之一，一般應用于液態或氣態流體控制環境，因此閥門廣泛的應用于設計流體控制的各個工業細分領域。目前，主要的閥門應用領域包括：石油天然氣、電力、化工、自來水和污水處理、造紙、冶金、制藥、食品、采掘、有色金屬、電子等行業。其中，石油天然氣、能源電力和化工領域是閥門最重要的應用領域。

閥門產品市場隨著科學技術的不斷發展，也在向高技術含量、高參數、耐強腐蝕、高壽命方向發展。根據對國內外閥門技術和市場需求可分析近年來國內閥門行業高新技術發展趨勢及投資方向。

本文以國內閥門行業未來將重點發展的石油管道球閥在長久持續運行時各零部件強度和膨脹變形相關技術難題為案例，應用Ansys對石油管道高溫高壓大口徑金屬固定球閥進行計算機輔助數值模擬計算與分析，為閥門產品改進設計提供理論參考依據。

2 高溫高壓大口徑金屬固定球閥的計算機輔助設計計算分析

2.1 閥門參數

驅動形式：電動。

漏量按ISO 5208-2008《工業用閥門 金屬閥門的壓力試驗》 D級。

主要部件采用的材料：S32590高溫、高強度不銹鋼，密度為7.88kg/m3，楊氏模量為206GPa，泊松比為0.3，熱膨脹系數為18。

球閥性能指標：工作溫度610℃，工作介質為氣、烴類，工作壓力為8.25MPa，常溫強度試驗壓力為37.5MPa，介質為水。

2.2 用Soildworks進行建模

如圖1所示，為國內某企業所研發的石油管道高溫高壓大口徑金屬硬密固定球閥設計方案。

2.3 使用Ansys軟件對球閥進行計算

對球閥整體進行常溫高壓密封試驗，試驗壓力為37.5MPa。使用Ansys軟件對球閥整體進行處理。首先進行網格劃分，打開Ansys meshing對球閥進行網格劃分，再對其進行固定，在Support中選擇Fixed Support，對球閥底座進行固定。

在球閥內部加37.5MPa的壓力。最后在Static Structural下方的Solution選擇Equivalent Elastic Strain，如圖2所示，通過solve得到應變分布。

最大變形出現在側閥體上，最大變形為3.7354×10-3mm，最大壓強為733.11MPa。

3 結論

通過對球閥整體進行數值模擬計算分析可見：

（1）球體內因為溫度較高而使其內部受力不均勻，雖然產生了一定的變形，但仍夠滿足材料使用和設計要求。

（2）計算分析說明運行溫度條件對材料變形的影響大于運行壓力對材料變形的影響，改進設計時應盡量選用溫度對材料影響比壓力對材料的影響小的材料。

（3）石油管道高溫高壓球閥設計計算分析驗證了此閥門在高溫高壓下可以長久持續運行，其安全性和可靠性能夠得到充分保障。

參考文獻

[1]李軍業.彈性楔式閘閥閥體應力及位移分析[J].閥門，2003（1）：4-6.

[2]沈陽閥門研究所.閥門設計[M].機械工業出版社，1979.

[3]章華友，陳元芳.球閥設計與選用[M].1994.

[4]倪棟，等.通用有限元分析ANSYS7.0實例精解[M].北京：機械工業出版社，2003：101-118.

[5]浦廣益.ANSYS Workbench 12基礎教程與實例詳解[M].北京：中國水利水電出版社，2010，10.