上裝式超低溫球閥啟閉過程應力分析

王 寅 韓正海 江 鑫

（江蘇蘇鹽閥門機械有限公司，江蘇 鹽城224500）

0 引言

球閥是石油、天然氣開發及輸運過程中必不可缺的設備，主要用于控制輸送介質的通斷。球閥是近年來發展最快的閥門之一，具有結構簡單、密封性好、方便維修、可靠性高等優點[1，2]。

在現場使用過程中，球閥的安全性和可靠性是現場工程技術人員重點關注的問題。此外，設計人員在確保球閥的服役安全前提下，還需要從經濟性角度衡量球閥設計的可行性[3]。為保證球閥設計的安全性，要求球閥的各部件在介質壓裂作用下具備足夠的強度以承受輸送介質壓力誘發的高應力，避免球閥在高壓作用下發生密封失效、開裂或爆裂[4]。球閥在開啟或關閉狀態下，閥體及閥芯的應力保持不變。但在球閥關閉的過程中，隨著閥芯的轉動，球閥的開度逐漸減小，閥體及閥芯表面的壓力不斷變化，其應力亦隨之波動。鑒于上述情況，為了保證設計的安全性，需要明確球閥啟閉過程中閥體及閥芯上的應力變化規律，保證足夠的安全系數。

本文將聚焦于球閥啟閉過程，以上裝式LNG（天然氣）超低溫球閥為對象，建立不同閥芯開度的有限元模型，采用線彈性有限元分析方法，分析不同閥芯開度條件下的球閥應力分布，建立球閥開度與球閥最大應力之間的規律，以期為上裝式LNG超低溫球閥的設計和安全性評價提供參考。

1 建立模型

1.1 球閥的工作參數及材料力學性能

上裝式超低溫球閥的實驗壓力為37.3 MPa，輸送的介質為天然氣（LNG）。工作參數如表1所示。

表1 LNG上裝式超低溫球閥的性能參數

上裝式超低溫球閥閥體應用的材料為ASTMA351 CF8M，屈服強度為205 MPa。固定軸、閥座、閥芯等應用材料為ASTMA182FXM-19，屈服強度為380 MPa。材料參數如表2。

表2 LNG上裝式超低溫球閥的性能參數

1.2 實體模型

上裝式超低溫球閥閥體結構為一體結構，閥腔通道的應力對閥蓋的密封影響小，相對于三體式球閥，外漏點少，更加經濟[5]。上裝式超低溫球閥主要由閥體、閥座、閥芯、閥桿、隔熱板、閥蓋等組成。圖1為上裝式超低溫球閥的剖面圖。

圖1 上裝式超低溫球閥三維模型

2 有限元模型

2.1 幾何模型

上裝式超低溫球閥各部件的應力會隨著關閉過程中閥芯的轉動發生變化。球閥的開啟或關閉過程主要體現為閥芯的轉動角度不同，當完全開啟時，閥芯轉動角度為0°，當完全關閉時，閥芯轉動角度為90°。由圖1可知，球閥的閥桿順時針或逆時針方向轉動，均可以實現球閥的開啟和關閉過程，區別在于球閥流道內介質流動方向。因此，以球開啟過程時閥芯相對于閥體流道橫截面為0°，分別建立閥芯相對開度為0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°的模型。

將上裝式超低溫球閥的完整幾何模型導入有限元軟件中，并對比模型，確定模型的完整性。圖2所示為閥芯開度為0°的導入模型。

圖2 上裝式超低溫球閥網格模型

2.2 網格劃分

由于上裝式超低溫球閥結構復雜，使用6面體單元劃分將使難度大大增加。所以采用適應性更強的4面體單元對幾何模型劃分網格，網格尺寸為15 mm。球閥網格模型的由176 330個單元組成，包含325 285個節點。

2.3 載荷與邊界條件

上裝式超低溫球閥在試驗工況條件下介質壓力最高，且該試驗工況常用于判斷球閥設計的安全性，因此后續分析過程中以球閥的試驗工況對有限元模型施加載荷。上裝式超低溫球閥內腔介質為LNG，試驗壓力為37.3 MPa，所以對內腔表面施加壓力37.3 MPa，其他外表面為自由面。

邊界條件：由于上裝式超低溫球閥在試驗和服役工況下通過兩端的法蘭螺栓連接與其他輸送管道連接，球閥的兩側法蘭左右兩側的自由度被約束，所以在有限元軟件中將入口及出口法蘭端面上的所有自由度設置為0。

3 結果與分析

根據上述模型及分析條件，進行模擬分析，得到上裝式球閥閥芯不同開度下的應力云圖，如圖3所示。

從圖3a、b可以看出，上裝式超低溫球閥在啟閉過程中，隨著閥芯開度的變化，球閥的閥體流道、閥芯與閥座的接觸位置的應力較其它區域高。將球閥在不同開度條件下的應力最大值及應力最大點的位置歸納于表3中。

圖3 閥芯轉動過程中應力分布

從表3中可知，除閥芯開度0°外，閥芯開度在15°～90°變化過程中，球閥的最大應力均位于閥芯與左、右兩側閥座接觸面上。最大應力點位于上述區域的主要原因是該區域的幾何結構存在不連續過渡，在LNG高壓力作用下產生了應力集中現象。

表3 閥芯轉動不同角度下對應的最大應力

根據表2可知，上裝式超低溫球閥內部球體、上下油閥等組件所承受最大壓力為380 MPa。對比表3，球閥轉動過程中只有開度60°超過最大屈服強度，且最大應力遠遠高于其他位置的最大應力，判斷是有限元模型的網格畸變造成的數值奇異。其他不同開度下的最大應力皆低于材料屈服強度，滿足設計要求。

閥芯轉動的不同角度下對應的最大應力。由圖4可知，上裝式超低溫球閥在啟閉過程中，隨著閥芯的轉動，閥芯與閥座的介質壓力作用面積發生變化，閥芯及閥座接觸區域的最大等效應力呈現出先增大后減小的規律。當閥芯開度為90°時，閥體內閥芯與閥座接觸位置的最大等效應力與閥芯開度為0°時的最大等效應力幾乎相同。

圖4 閥芯的轉動角度與球閥最大應力之間對的關系

閥芯轉動過程中，球閥的最小應力均發生在開啟和關閉狀態，數值上約為143 MPa，低于材料的屈服強度，安全系數約為2.6，表明球閥在開啟和關閉狀態下的滿足設計要求。此外閥芯在轉動過程中，球閥的應力會發生較大波動。需要注意，轉動過程中的內部零件的應力過高，應避免閥芯及閥座在轉動過程中因過高的應力發生塑性屈服而導致密封面失效進而發生泄漏。

4 結論

通過線彈性有限元分析方法，建立了上裝式超低溫球閥啟閉過程不同開度條件下的有限元模型，得到閥芯不同開度下的應力變化規律，所得結論如下：

（1）上裝式超低溫球閥在關閉過程中，隨著閥芯的轉動，球閥的最大應力主要出現在閥芯與閥座的接觸位置。所以應保證閥芯與閥座材料具有足夠的強度，防止在接觸部分因應力過大產生塑性變形而導致密封面失效。

（2）上裝式超低溫球閥在關閉過程中最大等效應力隨著閥芯的轉動呈周期性變化，呈現出先增大后減小的規律。

（3）閥芯轉動過程中，球閥開啟和關閉狀態下的最大應力幾乎相同，且在轉動過程中，開啟和關閉狀態下的最大等效應力最小。

（4）上裝式超低溫球閥在球體轉動過程中的應力有較大變化，設計過程中應避免閥芯轉動過程中閥芯及閥座的應力超過材料的屈服強度。