DN350鎖渣閥密封結構有限元分析

武 剛，吳向清，馬玉山，張耀華

（1.西北工業大學航空學院，陜西 西安 710072；2.吳忠儀表有限責任公司，寧夏 吳忠 751100）

1 引言

球閥是一種由閥桿帶動啟閉件，并使其繞閥桿軸線作旋轉運動的閥門［1］。由于結構簡單，密封性能好，操作方便，啟閉動作迅速，所需驅動扭矩小，因此被人們廣泛應用［2］。鎖渣閥作為球閥的一種，結構以金屬密封固定球閥為主，通過碟簧的預緊力和工作介質的壓強作用，實現大口徑球芯和閥座的密封［3］，主要用于定期收集和排放來自氣化爐激冷室底部的渣水混合物，需要在高溫、高壓工況下連續運行，由于其復雜的結構和惡劣的使用工況，很難對鎖渣閥開啟、閉合過程進行受力分析，因此需要借助有限元分析方法對鎖渣閥開啟、閉合過程進行力學仿真分析。

目前，文獻［4］對硬密封球閥典型進口端主密封結構的密封比壓分布規律進行研究，將球芯結構作為解析剛體、施加固定邊界條件，分析了壓力角、密封面寬度在關閉狀態下對密封比壓分布規律的影響。文獻［5］針對Class1500 NPS14型蝸輪蝸桿傳動硬密封固定球球閥應用有限元法對其在關閉狀態下的密封性及應力分布進行了分析。文獻［6］建立浮動球閥的有限模型，分析了閥座接觸面上密封比壓的分布規律。文獻［7］對高壓天然氣球閥用有限元分析模擬了球閥強度，給出了壓力和載荷分布的規律。文獻［8］采用有限元數值模擬的方法，對3種不同工況條件下球體的受力情況進行了強度分析，并對整體應力、最大變形處、最薄弱環節做了評價，找出整個球體的應力大小及載荷分布情況。文獻［9］對硬密封固定球閥閥桿與球體接觸及閥座與球體接觸進行有限元分析，對閥座與球體接觸部位進行非線性接觸分析，得到隨開度變化閥座與球體接觸應力變化規律；分析了某一狀態下閥座密封面寬度和閥座偏轉角度對閥座密封面上最大等效應力和最大位移變形的影響規律。文獻［10］分析了ANASYS Workbench在球閥疲勞磨損中的應用，以浮動球閥建立分析模型，分析了球閥壓力載荷的變化對閥體疲勞壽命所產生的影響，并提出了相應的改進措施。目前的相關研究主要集中在分析一定載荷、某一狀態下，球閥應力、應變、密封比壓分布情況，以及某狀態下密封面寬度和密封面夾角對球閥應力、應變的影響，而分析密封面寬度、密封面夾角對球閥轉動過程中應力、應變影響的相關研究較少。

這里針對“神華寧煤400萬噸年間接液化項目”的DN350鎖渣閥，運用Abaqus有限元軟件分析不同密封面夾角、不同密封面寬度的密封結構在開啟、閉合過程中應力場、應變場分布，確定最大等效應力、應變位置，得到密封面寬度和密封面夾角對應力場、應變場的影響規律，對鎖渣閥應用過程中的磨損失效進行預測，研究成果將為大口徑硬密封固定球鎖渣閥的結構設計和應用提供參考。

2 鎖渣閥密封原理

鎖渣閥密封結構主要由球芯和密封閥座組成，密封結構剖視圖及局部放大，如圖1所示。密封結構為碟簧加載金屬硬密封，球芯軸向固定不動，密封閥座通過碟簧的彈性力作用水平移動。當鎖渣閥處于關閉狀態，球芯與密封閥座形成的密封副將介質截斷，此時，球芯受到工作介質壓強和密封閥座壓力，而密封閥座受到預緊力和工作介質的共同作用，以保證滿足密封所需的密封必須比壓。球芯在開啟過程中，密封閥座在碟簧的作用下沿軸向發生移動，保證在實現密封的前提下，減小閥座和球芯的摩擦力，減小球芯轉動所需的扭矩。

圖1 密封結構剖視圖及局部放大圖Fig.1 Cross-Sectional View of the Sealing Structure and a Partial Enlarged View

3 密封結構分析模型

根據煤化工實際鎖渣閥密封結構，這里選取密封面夾角分別為44°、45°、46°，每一個密封面夾角對應的密封面寬度分別為10mm、12.5mm、15mm、17.5mm，建立鎖渣閥密封結構模型，考慮鎖渣閥密封結構的復雜性以及有限元分析的計算量和準確性，對鎖渣閥密封結構進行簡化，簡化后有限元分析模型，如圖2所示。根據鎖渣閥裝配體的配合要求完成有限元裝配體分析模型，如圖3所示。

圖2 有限元分析簡化模型Fig.2 Finite Element Analysis Simplified Model

圖3 有限元分析裝配體模型Fig.3 Finite Element Analysis Assembly Model

本模型閥座材料和球芯材料賦予相同的材料屬性為ASTM A182 F51+WC，具體材料物理參數［11-12］，如表1所示。

表1 閥座和球芯的材料物理參數Tab.1 Material Physical Parameters of the Seat and the Core

球芯和閥座網格類型為C3D8R，不同密封面夾角和不同密封面寬度模型的網格質量根據各自模型選取最優的網格劃分，設定球芯網格尺寸為20，密封閥座網格尺寸為19，密封閥座密封面細化網格，設定邊單元數為4。

定義相互作用屬性為：切向定義罰函數，摩擦系數設定為0.15，法向定義硬接觸；定義作用的球芯面和閥座密封面，并賦予面-面相互作用屬性。

運用Abaqus有限元分析軟件求解物理方程，必須給定模型合適的邊界條件。定義約束邊界條件，如圖4（a）所示。圖中A部分為密封閥座端面約束；B部分為密封閥座側表面，受到閥體限制作用，設為沿X軸自由；C部分為球芯轉動約束。定義載荷邊界條件，如圖4（b）所示。流體壓強P=5.9MPa，作用位置如圖4（b）中P所示，碟簧預緊力為（3500～5000）N，本模型預緊力轉化為表面載荷FMax=0.5548MPa，作用位置如圖4（b）中F所示。

圖4 邊界條件示意圖Fig.4 Schematic Diagram of Boundary Conditions

4 密封結構有限元分析結果

4.1 密封面寬度、密封面夾角對密封結構的影響

在保證密封面夾角不變的情況下，重建密封面寬度為10mm、12.5mm、15mm、17.5mm的密封閥座模型。通過有限元分析計算，得到不同密封面夾角對應不同密封面寬度的有限元分析結果。其中，不同密封面寬度、密封面夾角對最大等效應力、應變的影響變化曲線，如圖5所示。不同密封面寬度、不同密封面夾角對應的最大等效應力值和最大應變值，如表2所示。

圖5 密封面寬度、密封面夾角的最大等效應力、應變圖Fig.5 Maximum Equivalent Stress and Strain Diagram of the Sealing Surface Width and the Angle of the Sealing Surface

表2 有限元分析結果數據表Tab.2 Finite Element Analysis Results Data

由圖5可見，密封面夾角為44°、45°時，最大等效應力與密封面寬度符合線性變化，隨著密封面寬度的增加，最大等效應力逐漸減小；密封面夾角46°時，則密封面寬度12.5mm時對應的等效應力、應變最小。

有限元分析結果顯示，當密封面夾角45°、密封面寬度17.5mm時，密封結構的最大等效應力和應變值最小，即為理想的密封結構。

4.2 理想密封結構的有限元分析

針對理想密封結構的應力場和應變場進行分析，密封面夾角45°、密封面寬度17.5mm密封結構達到最大等效應力、應變時對應的應力場、應變場云圖，如圖6所示。

圖6 密封結構最大等效應力、應變云圖Fig.6 Maximum Equivalent Stress and Strain of the Sealed Structure

從圖6云圖結果可見，在密封結構開啟、閉合過程中，密封結構的最大應變為0.00111，最大等效應力為446.08185MPa，低于材料的屈服強度450MPa，因此不會發生塑性變形。

如圖7～圖9所示，分別為密封結構各個部件實例的應力場和應變場云圖，其中圖7為球芯等效應力、應變云圖，在密封結構達到最大等效應力、應變時，球芯最大等效應力為304.2162MPa，位于球芯受工作介質壓強一側，最大應變為0.001061，具體位置，如圖7所示；圖8為進口端閥座等效應力、應變云圖，進口端閥座最大等效應力為446.081848MPa，最大應變為0.00111，位置，如圖8所示；圖9為出口端閥座等效應力、應變云圖，出口端閥座最大等效應力為83.798943MPa，最大應變為0.0003，位置，如圖9所示。

圖7 球芯最大等效應力、應變云圖Fig.7 The Maximum Equivalent Stress and Strain of the Core

圖8 進口端閥座最大等效應力、應變云圖Fig.8 Maximum Equivalent Stress and Strain Cloud Diagram of the Inlet End Seat

圖9 出口端閥座最大等效應力、應變云圖Fig.9 Maximum Equivalent Stress and Strain of the Outlet End Seat

理想密封結構各部件最大等效應力值、應變值及相應位置，如表3所示。

表3 理想模型各部件最大等效應力、應變數據表Tab.3 Maximum Equivalent Stress and Strain Data of Each Component of the Ideal Model

密封結構各個部件實例在模擬過程中等效應力、應變隨時間的變化曲線，如圖10所示。

圖10 等效應力、應變隨時間的變化曲線Fig.10 Curve of Equivalent Stress and Strain-Time

分析密封結構各個部件實例等效應力、應變隨時間的變化曲線可以得到：

等效應力場和應變場隨時間的變化趨勢基本一致。時間T在（1～2）s階段為壓強加載，進口端閥座等效應力場發生較大變化，說明進口端閥座在施加壓強過程中發生較大的彈性變形，球芯和出口端閥座發生較小的彈性變形，但是密封結構等效應力并未超過屈服強度，說明密封結構并未發生塑性變形，具有良好的密封性能。

時間T在3s時，施加轉動約束，可以發現，球芯轉動瞬間，三個部件實例等效應力場、應變場均發生突變，分析原因在于：開啟瞬間，密封面接觸形式由面接觸轉變為線接觸導致了等效應力場、應變場發生突變；此外由于部件受力不平衡，在未接觸與接觸銜接處發生較大變形，出現應力集中。

時間T在（3～4）s階段為卸壓階段，隨著壓強的減小，密封結構等效應力、應變逐漸減小，但是并未恢復到初始狀態，可以預測經過一定開啟、閉合次數之后，密封結構會發生塑性變形，特別是進口端閥座在開啟瞬間，閥座下方密封面內徑部位將首先發生較大變形，導致密封比壓小于密封必須比壓，說明密封結構失效。

5 結論

（1）當密封面夾角45°、密封面寬度17.5mm 時，DN350 鎖渣閥密封結構的最大等效應力和應變值最小為理想的密封結構。

（2）理想密封結構最大等效應力為446.08185MPa，位于進口端閥座下方密封面內徑，等效應力均低于材料屈服強度450MPa，不會發生塑性變形；最大應變為0.00111，位于進口端閥座下方密封面中徑。

（3）鎖渣閥經過長期工作后，進口端閥座下方密封面內徑部位將首先發生較大塑性變形，導致密封結構失效。