高壓大通徑液動(dòng)閘閥閥體應(yīng)力分析及強(qiáng)度評(píng)定

姜玉虎，朱登澤，趙華良

（1.江蘇宏泰石化機(jī)械有限公司，江蘇鹽城 224499；2.長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖北荊州 434023）

0 引言

液動(dòng)閘閥是通過(guò)液壓驅(qū)動(dòng)閥桿與閘板'實(shí)現(xiàn)流道的啟閉[1]。對(duì)于大通徑、高壓力閘閥，由于流體壓力作用面積更大，使得閥桿的開關(guān)扭矩急劇增加，現(xiàn)場(chǎng)操作人員難以快速地開啟或關(guān)閉閥門，限制了作業(yè)效率。液壓驅(qū)動(dòng)相對(duì)人工操作可提供更高的啟閉力，有利于井口裝置的自動(dòng)化和無(wú)人化，提高油氣開采作業(yè)的安全性。

液動(dòng)閘閥的安全性是工程技術(shù)人員關(guān)注的重點(diǎn)問(wèn)題。為保證液動(dòng)閘閥設(shè)計(jì)的安全性，首要的分析對(duì)象是液動(dòng)閘閥的閥體。閥體流道有一組十字相貫線的型腔構(gòu)成，流道相交處存在幾何不連續(xù)，通常此處存在顯著的應(yīng)力集中[2]。閥體設(shè)計(jì)過(guò)程中需要分析液壓驅(qū)動(dòng)平板閘閥閥體的應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)，保證足夠的安全系數(shù)。

1 建立模型

1.1 液動(dòng)驅(qū)動(dòng)平板閘閥的工作參數(shù)及材料特性

液動(dòng)驅(qū)動(dòng)平板閘閥的額定工作壓力為5000 psi，通徑為工作溫度級(jí)別為PU，適用石油、天然氣、酸化液等介質(zhì)。

液動(dòng)驅(qū)動(dòng)平板閘閥閥體應(yīng)用的材料為ASTM 4130 75K，材料的屈服強(qiáng)度為517 MPa，抗拉強(qiáng)度為655 MPa，彈性模量為204 MPa，泊松比為0.3。

1.2 實(shí)體模型

液動(dòng)閘閥主要由閥體、閥蓋、閥座、閥桿、閘板等組成。閥體為液動(dòng)閘閥的主要承壓部件。下文主要聚焦于閥體這一關(guān)鍵部件，分析其在試驗(yàn)工況下的安全性及可靠性。

閥體滿足幾何與載荷對(duì)稱性條件。從計(jì)算效率角度及對(duì)稱性條件方面考慮，建立閥體的1/8模型。依據(jù)圣維南原理，忽略閥體上一些倒角、螺紋等特征[3]。液動(dòng)閘閥閥體三維模型如圖1所示。

圖1 液動(dòng)驅(qū)動(dòng)平板閘閥閥體

2 有限元模型

2.1 幾何模型

將液動(dòng)驅(qū)動(dòng)平板閘閥的1/8模型導(dǎo)入有限元軟件中（圖2）。

圖2 液動(dòng)驅(qū)動(dòng)平板閘閥閥體1/8網(wǎng)格模型

2.2 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分過(guò)程中，六面體單元相對(duì)于四面體單元在計(jì)算精度、變形特性、劃分網(wǎng)格數(shù)量以及抗畸變程度等方面都有顯著優(yōu)勢(shì)。因此，液動(dòng)閘閥閥體采用八節(jié)點(diǎn)六面體單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸為5 mm，網(wǎng)格模型由111 971個(gè)單元組成，包含431 313個(gè)節(jié)點(diǎn)。

2.3 載荷與邊界條件

液動(dòng)閘閥的工作壓力為5000 psi，水壓試驗(yàn)壓力為7500 psi（51.711 MPa）。由于液動(dòng)閘閥在試驗(yàn)工況下的介質(zhì)壓力最高，所以一般使用試驗(yàn)工況作為液動(dòng)驅(qū)動(dòng)平板閘的安全性分析條件。在后續(xù)分析過(guò)程中，以試驗(yàn)壓力為工作載荷，對(duì)內(nèi)腔施加均布?jí)毫?500 psi，其他表面為自由面。

邊界條件：液動(dòng)閘閥在設(shè)計(jì)工況以及試驗(yàn)工況條件下由兩側(cè)端法蘭支撐，法蘭螺栓孔完全固定，軸向方向定義為自由約束，法蘭的臺(tái)階面施加位移約束，限制法蘭軸向移動(dòng)。由于液動(dòng)閘閥閥體為1/8對(duì)稱模型，分別對(duì)XOY截面、XOZ截面、YOZ截面添加無(wú)摩擦約束，模擬對(duì)稱條件。

3 結(jié)果與分析

根據(jù)上述網(wǎng)格模型、載荷以及邊界條件，進(jìn)行仿真分析，得到液動(dòng)閘閥閥體的應(yīng)力應(yīng)變分布（圖3、圖4）。

圖3 試驗(yàn)工況下閥閥體應(yīng)力分布

圖4 試驗(yàn)工況下閥體應(yīng)變分布

從圖3中可以看出，液動(dòng)閘閥閥體在試驗(yàn)工況下，內(nèi)腔的最大應(yīng)力為374.49 MPa，位于簡(jiǎn)化的閥蓋與閥體連接處。從閘閥裝配體角度，閥體與閥蓋通過(guò)螺栓連接，并不連續(xù)，此處不會(huì)出現(xiàn)高應(yīng)力情況。忽略上述區(qū)域的應(yīng)力，閥體相貫線處的存在顯著的高應(yīng)力區(qū)，最大應(yīng)力約為368.5 MPa。

閥體的屈服極限為517 MPa，仿真計(jì)算所得到的閘閥閥體的最大應(yīng)力以及相貫線處的最大應(yīng)力均低于材料的屈服強(qiáng)度，上述應(yīng)力及伴隨的殼體形變?nèi)栽趶椥苑秶鷥?nèi)。

4 應(yīng)力分類及強(qiáng)度評(píng)定

為了更準(zhǔn)確的評(píng)估閥體的應(yīng)力強(qiáng)度，采用ASME BPVC VIII.2—2019中推薦的壓力容器應(yīng)力分類方法，考慮應(yīng)力產(chǎn)生的原因、對(duì)失效模式的作用及應(yīng)力分布把應(yīng)力分為一次應(yīng)力和二次應(yīng)力[4，5]，評(píng)定液動(dòng)閘閥閥體在試驗(yàn)工況下的應(yīng)力強(qiáng)度。根據(jù)閥體的結(jié)構(gòu)特征及應(yīng)力分布，分別在閥體相貫線處和端部法蘭上選A-A、B-B、C-C、D-D、E-E及F-F，6條應(yīng)力分線來(lái)評(píng)定閥體強(qiáng)度（圖5）。

圖5 閥體應(yīng)力分類線

基于上述應(yīng)力分類線，提取各應(yīng)力分類線上單元節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力分量，計(jì)算上述6條應(yīng)力分線上的薄膜應(yīng)力、彎曲應(yīng)力、薄膜應(yīng)力+彎曲應(yīng)力及總應(yīng)力隨路徑變化規(guī)律（圖6～圖11）。

圖6 路徑A-A應(yīng)力分類

圖7 路徑B-B應(yīng)力分類

圖8 路徑C-C應(yīng)力分類

圖9 應(yīng)力D-D應(yīng)力分類

圖10 應(yīng)力E-E應(yīng)力分類

圖11 路徑F-F應(yīng)力分類

根據(jù)各應(yīng)力分類線上的應(yīng)力分布結(jié)果可知：沿著應(yīng)力分類線方向，從閥體外壁到內(nèi)腔，閥體壁厚截面的應(yīng)力逐漸增大，而薄膜應(yīng)力與施加的外載荷相關(guān)，因此保持恒定；彎曲應(yīng)力表現(xiàn)為從正向的拉應(yīng)力逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力，而薄膜應(yīng)力+彎曲應(yīng)力在數(shù)值上表現(xiàn)為逐漸增加。

由內(nèi)壓差產(chǎn)生的均勻薄膜應(yīng)力都劃分為一次局部薄膜應(yīng)力，且所有線性分布的彎曲應(yīng)力歸為二次應(yīng)力[4]。基于此，對(duì)閘閥閥體及端部法蘭應(yīng)力分類線上的應(yīng)力做一次局部強(qiáng)度（PL）評(píng)定和二次局部強(qiáng)度（PL+Q）評(píng)定，應(yīng)力評(píng)定結(jié)果分別列于表4和表5。

從表1和表2可以看出，所選應(yīng)力分類線的一次局部強(qiáng)度評(píng)定和二次局部強(qiáng)度評(píng)定的應(yīng)力安全指標(biāo)數(shù)n都大于1，表明所設(shè)計(jì)的5000 psi閘閥閥體的應(yīng)力強(qiáng)度校核合格。閥體的設(shè)計(jì)滿足標(biāo)準(zhǔn)，可以保證液動(dòng)驅(qū)動(dòng)平板閘閥的安全可靠的使用。

從表1和表2的應(yīng)力安全指標(biāo)數(shù)數(shù)值上看出，無(wú)論是一次局部強(qiáng)度校核或二次局部強(qiáng)度校核，位于應(yīng)力分類線D1-D2和F1-F2上的應(yīng)力安全指標(biāo)數(shù)均明顯低于其他應(yīng)力分類線。造成這種現(xiàn)象的原因源于應(yīng)力分類線D1-D2和F1-F2均關(guān)聯(lián)到閥體中腔相貫線，該處區(qū)域由于相關(guān)線的存在，使得局部區(qū)域的應(yīng)力狀態(tài)復(fù)雜且應(yīng)力集中明顯。

表1 一次局部強(qiáng)度（PL）評(píng)估

表2 二次局部強(qiáng)度（PL+Q）評(píng)估

5 結(jié)論

（1）在7500 psi壓力作用下，大通徑液動(dòng)閘閥閥體相貫線附近壁面的應(yīng)力最高，但仍在彈性范圍內(nèi)。

（2）閥體及端部法蘭上應(yīng)力分類線的一次局部強(qiáng)度校核和二次強(qiáng)度局部強(qiáng)度校核均合格，表明所設(shè)計(jì)的大通徑高壓液動(dòng)閘閥具有較強(qiáng)的安全性，能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)使用需求。

（3）局部應(yīng)力強(qiáng)度校核結(jié)果表明，與中腔相貫線處相關(guān)區(qū)域的應(yīng)力強(qiáng)度高。未來(lái)新型超高壓甚至超超高壓平板閘閥的設(shè)計(jì)需要重點(diǎn)關(guān)注此區(qū)域。