翼型由壬接頭閥體壁厚設(shè)計(jì)討論及強(qiáng)度分析

耿 博， 劉 倩

（艾默生過程管理（天津）閥門有限公司， 天津 301700）

引言

閥體壁厚是控制閥設(shè)計(jì)考慮的諸多關(guān)鍵要素之一。各設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)控制閥壁厚要求和強(qiáng)度校核方法也作出了明確規(guī)定，例如，美國工程師協(xié)會(huì)（American Society of Mechanical Engineers）標(biāo)準(zhǔn)B16.34[1]是控制閥行業(yè)應(yīng)用最為廣泛的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)之一，其根據(jù)控制閥的口徑和磅級(jí)，對(duì)閥體的最小壁厚作出了詳細(xì)規(guī)定。此外，美國工程師協(xié)會(huì)鍋爐與壓力容器標(biāo)準(zhǔn)（ASME BPVC）還提供了不同的方法，用以驗(yàn)證閥體壁厚強(qiáng)度。壓力管道標(biāo)準(zhǔn)（ASME B31.3）也提供了計(jì)算壓力管道壁厚的方法。

翼型由壬接頭（Swing Union Connection），又稱錘擊由壬接頭（Hammer Union Connection），是一種快速拆裝接頭，廣泛應(yīng)用于油氣管道上。由于其便于拆裝，起初被大量用于臨時(shí)裝置上。目前翼型由壬接頭也被越來越多地應(yīng)用于固定裝置上，如連接控制閥門和管道等。

翼型由壬接頭結(jié)構(gòu)如圖1 所示，其緊固螺母部分螺紋為梯形螺紋，便于安裝拆卸，節(jié)省安裝空間，并且可以提供足夠的預(yù)緊力來保證密封和緊固連接。翼型由壬接頭的型號(hào)決定了其壓力磅級(jí)。例如，型號(hào)為Fig.1502 翼型由壬接頭的冷工作壓為15 000 psi，可用的公稱尺寸為1”到4”。

圖1 翼型由壬接頭結(jié)構(gòu)

當(dāng)翼型由壬接頭被直接加工于閥體上時(shí)，接口作為閥體的一部分，對(duì)于其所在區(qū)域的局部壁厚，也需要基于閥體最小壁厚的要求進(jìn)行校核驗(yàn)證。

1 閥體形狀結(jié)構(gòu)

本文所分析的閥體公稱尺寸為NPS 2，壓力磅級(jí)為API 10 000 psi，連接端為翼型由壬接頭，并與閥體和閥蓋分別連為一體，尺寸為2”,型號(hào)為Fig.1502。其外形結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 帶翼型由壬接頭的閥體外觀

2 閥體壁厚設(shè)計(jì)驗(yàn)證

2.1 ASME B16.34 壁厚要求

ASME B16.34 是應(yīng)用最為廣泛的控制閥標(biāo)準(zhǔn)之一。故本文首先根據(jù)ASME B16.34，對(duì)該閥體最小壁厚的設(shè)計(jì)進(jìn)行了驗(yàn)證。該閥體的結(jié)構(gòu)及主要尺寸如圖3 所示。

由ASME B16.34，6.1.2（a）段和圖3 所示閥體進(jìn)出口及腔體尺寸可以確定，該閥體內(nèi)徑為47.8×0.9=43.1 mm。

圖3 閥體結(jié)構(gòu)（單位：mm）

閥體壓力磅級(jí)為API 10 000 psi，根據(jù)B16.34 表VII-2 換算得其壓力磅級(jí)為Class 4000。根據(jù)B16.34 表3A，通過線性插值法計(jì)算得最小壁厚為tm=31.6 mm。

由圖3 可知，由于該閥體使用了翼型由壬接口，所以閥體端口處及其過渡部分外徑尺寸取決于標(biāo)準(zhǔn)翼型由壬接口尺寸，其進(jìn)出口部分壁厚為20.5 mm和24 mm，均小于ASME B16.34 所要求的最小壁厚。故該閥體接口部分難以通過增加壁厚滿足B16.34的要求。因此，為了進(jìn)一步驗(yàn)證閥體強(qiáng)度，本文尋求其他設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和方法，對(duì)閥體壁厚進(jìn)行校核計(jì)算。

2.2 ASME BPVC 公式計(jì)算壁厚設(shè)計(jì)法

ASME BPVC 第八卷第二章第四節(jié)4.3.3 中，規(guī)定了圓筒狀承壓件壁厚計(jì)算公式[2]，具體如下：

式中：D 為承壓件內(nèi)腔直徑；P 為設(shè)計(jì)壓力；S 為承壓件材料許用應(yīng)力；E 為鑄造質(zhì)量系數(shù)。

由于該閥體和閥蓋結(jié)構(gòu)非常接近圓筒形狀，故可以根據(jù)式（1）進(jìn)行最小壁厚計(jì)算，驗(yàn)證其閥體壁厚。

根據(jù)該閥體流道形狀，閥體的不同區(qū)域具有不同內(nèi)徑。根據(jù)不同的內(nèi)徑，對(duì)閥體不同區(qū)域分別進(jìn)行計(jì)算，閥體最小壁厚計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 壁厚設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果

美國石油協(xié)會(huì)（American Petroleum Institute）標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)承壓件設(shè)計(jì)方法也作了相關(guān)的規(guī)定。API 6A（2010）4.3.3.2 設(shè)計(jì)方法中規(guī)定：ASME BPVC 第八卷第二章的公式計(jì)算壁厚設(shè)計(jì)法可以用來對(duì)承壓件進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。因此可以認(rèn)為，表1 的計(jì)算結(jié)果代表了ASME BPVC 和API 6A 兩種設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的公式計(jì)算方法的閥體最小壁厚設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果。

2.3 ASME B31.3 公式計(jì)算壁厚設(shè)計(jì)法

ASME B31.3 壓力管道標(biāo)準(zhǔn)中304.1.2（a）規(guī)定了壓力管道壁厚計(jì)算公式[3]，如下：

式中：d 為管道內(nèi)腔直徑；P 為設(shè)計(jì)壓力；S 為管道材料最大許用應(yīng)力；E 為質(zhì)量系數(shù)；W 為焊接系數(shù)；c為加工余量；Y 為材料系數(shù)。

由該閥體和閥蓋結(jié)構(gòu)圖可以看出，該閥體結(jié)構(gòu)非常接近直管道形狀，因此根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ASME B31.3的管道最小壁厚公式對(duì)最小壁厚進(jìn)行了計(jì)算。

表2 中列出了根據(jù)公式計(jì)算所得的閥體設(shè)計(jì)最小壁厚結(jié)果。

表2 B31.3 壁厚計(jì)算結(jié)果

2.4 ASME BPVC 仿真分析壁厚設(shè)計(jì)法

ASME BPVC 第八卷第二章第五節(jié)規(guī)定了計(jì)算機(jī)仿真分析法，用以對(duì)承壓件閥體進(jìn)行強(qiáng)度分析。

本文根據(jù)BPVC 的規(guī)定，對(duì)該閥體進(jìn)行了仿真分析。仿真分析中設(shè)置溫度為21 ℃和壓力載荷為68.9 MPa。仿真結(jié)果如圖4 和表3 所示。

圖4 仿真結(jié)果應(yīng)力（Pa）云圖

表3 不同標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)力結(jié)果

由圖4 和表3 可知，該閥體可以滿足ASME BPVC 第八卷第二章第五節(jié)計(jì)算機(jī)仿真分析法所規(guī)定的強(qiáng)度要求。

3 討論

本文用三種標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最小壁厚計(jì)算方法對(duì)翼型由壬接頭閥體的最小壁厚進(jìn)行了計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 不同標(biāo)準(zhǔn)最小壁厚計(jì)算結(jié)果

通過表4 對(duì)比不同計(jì)算方法所得的最小壁厚結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，ASME B16.34 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)閥體最小壁厚的規(guī)定并沒有針對(duì)閥體的不同形狀進(jìn)行區(qū)分，并且相較于BPVC 和B31.3 標(biāo)準(zhǔn)的公式計(jì)算所得最小壁厚更加保守。

BPVC 和B31.3 標(biāo)準(zhǔn)在計(jì)算最小壁厚時(shí)，根據(jù)閥體內(nèi)徑對(duì)閥體不同的部位進(jìn)行了區(qū)分。BPVC 的公式是針對(duì)圓筒狀承壓件，B31.3 是針對(duì)承壓管道，根據(jù)兩標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定公式計(jì)算所得最小壁厚結(jié)果較接近。

為了進(jìn)一步校核閥體強(qiáng)度，根據(jù)閥體設(shè)計(jì)的功能要求，在計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上對(duì)閥體壁厚進(jìn)行了調(diào)整，并根據(jù)ASME BPVC 仿真分析法對(duì)閥體壁厚設(shè)計(jì)進(jìn)行了仿真計(jì)算。結(jié)果顯示，該閥體結(jié)構(gòu)完全可以滿足BPVC 所規(guī)定的仿真分析法對(duì)閥體壁厚強(qiáng)度的要求。

因此，ASME B16.34 對(duì)閥體最小壁厚的要求更為保守。在閥體設(shè)計(jì)中，針對(duì)閥體的具體形狀，結(jié)合ASME BPVC 和ASME B31.3 對(duì)閥體最小壁厚進(jìn)行計(jì)算，并利用計(jì)算機(jī)仿真分析法對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證，也可以作為閥體壁厚校核的一個(gè)方法。