管線球閥閥座失穩與應變設計

楊熙翀 李永喜 李隨義

摘? 要：在大型管線球閥國產化的一次試驗中，發現非正常泄漏。經檢查，閥座內徑發生殘余變形，閥座在外壓作用下失穩。本文對受外壓閥座進行應力、應變分析，并提出閥座強度、應變的設計、計算方法。

關鍵字：閥座，應變設計，穩定性

1.閥座失穩的發生

管線球閥的閥座可視為一個薄壁圓筒，把閥座作為一個閥門內件，通常不考慮閥座的失穩。但對于一個大口徑高壓球閥的閥座，按API-6D進行DIB-I試驗時，閥座是一個受外壓的薄壁圓筒，可能發生失穩，需進行應力、應變分析和計算。

Class900，NPS56的管線球閥，在一次DIB-I的試驗時，二側密封座發生大量泄漏，閥座發生殘余變形，內徑1360mm，縮小至1358mm。證實閥座失穩。

2.應力分析

典型的閥座結構如圖1所示。

在DBB功能試驗時，金屬閥座1處于內壓的作用下，如圖2（a）所示。在DIB-I功能試驗時，閥座處于外壓的作用，如圖2（b）所示。在液壓強度試驗時，閥座處于，和兩端壓力的共同作用下。如圖2（c）所示。

這樣，我們可以把閥座視為一個圓筒，受內壓，外壓，兩端壓力的作用。假設是一個無限長的筒體，則。令圓筒內半徑為a，外半徑為b，顯然圓筒上任何一點上的應力分量是半徑r的函數。筒狀閥座是一個軸對稱零件，一點上的應力分量用極坐標表示為：環向應力，徑向應力，軸向應力。因為我們假定是無限長的筒體，二端壓力，所以。作二向應力狀態考慮。如圖3（a）所示。

3.應變分析

在求得應力分量，之后，根據公式（3）可求得相應的徑向應變，環向應變。

直徑變化量直接影響密封圈的初始壓縮量，可能導致泄漏。

4.外壓殼體的工程計算

在工程上受外壓殼體的強度，即壁厚的計算可按照ASMEⅧ-（1）UG28“外壓殼體和管子的壁厚”進行。計算的目的，是針對某已知壁厚的筒體材料及其物性參數求得一個臨界外壓〔P〕值。

臨界外壓〔P〕與結構參數L/D，D/t以及材料的屈服極限有關。D為筒體內徑，t為壁厚，L為筒體長度。

第一步，按L/D，D/t在ASMEⅡ-D篇第3分篇中求得參數A。

第二步，根據求得的參數A，以及材料和工作溫度在ASMEⅡD篇3分篇相應材料的線算圖上求得參數B。

第三步，按下列公式計算臨界工作外壓〔P〕

5.結論

管線球閥對于要求DIB-I功能的閥座，需要進行外壓下閥座的強度，變形和失穩計算。尤其是高壓，大口徑的金屬閥座。在密封設計時，閥座的徑向變形增大了密封間隙，可能會導致密封失效，應予注意。

參考文獻

〔1〕徐芝綸 ，彈性力學，人民教育出版社1982，P.85

〔2〕范欽珊，壓力容器的應力分析與強度設計，原子能出版社1979，P.47-P.51

〔3〕ASME 鍋爐壓力容器規范第Ⅷ卷第一冊壓力容器建造規則，2010版

〔4〕ASME 鍋爐壓力容器規范第Ⅱ卷：材料，D篇性能，2010版

作者簡介

楊熙翀（1984 年3月22日），漢族，男，本科，甘肅平涼人，工程師，浙江永盛科技股份有限公司，從事閥門設計與研究。郵編：311400