阀体应力分类与强度评定的讨论.pdf

3 2 FL UI D MACHI NERY Vo 1 ． 3 9， No ．1， 2 01 1 文章编号 1 0 0 5 0 3 2 9 2 0 1 1 O 1 0 0 3 2 0 5 阀体应力分类与强度评定的讨论 翟霄， 俞树荣 兰州理工大学 ， 甘肃兰州7 3 0 0 5 0 摘要 根据压力容器分析设计标准和应力分类准则， 结合阀体的应力分布特点， 对阀体的应力分类和强度评定问题 进行讨论。按照应力分类思想对阀体应力进行分解和分类， 对各类应力及其组合的当量应力给予不同的限制， 从综合安 全性 和经济性角度 ， 为阀体结构及壁厚进 一步优化给出依据 。 关键词 分析设计 ； 应力分类 ； 强度评定 ； 阀体 ； 有限元法 中图分类号 T K 0 3 7 文献标 识码 A d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 5 0 3 2 9 ． 2 0 1 1 ． O 1 ． 0 0 8 Di s c u s s i o n o f St r e s s Cl a s s i fic at i o n a nd St r e n gt h Es t i ma t e o f Va l v e Bo d y ZHAI Xi a o．YU S h u r o n g L a n z h o u U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ，L a n z h o u 7 3 0 0 5 0 ， C h i n a Ab s t r a c t s Ac c o r d i n g t o a n a l y t i c a l d e s i g n c o d e o f p r e s s u r e v e s s e l s a n d s t r e s s c l a s s i f i c a t i o n g u i d e l i n e s ，c o mb i n e d w i t h t h e s t r e s s d i s t r i b u t i o n f e a t u r e s o f v alv e b o d y ，t h e p r o b l e ms o f s t r e s s c l a s s i fi c a t i o n a n d s t r e n g t h e s t i ma t e o f v alv e b o d y a r e d i s c u s s e d ． A f t e r t h e t o t a l s e s s o f the v a l v e b o d y i s s p l i t a n d c l a s s i fi e d i n a c c o r d a n c e wi th t h e s t r e s s c l a s s i fi c a t i o n g u i d e l i n e s ，d i ffe r e n t t y p e s s t r e s s a n d e q u i v a l e n t s t r e s s a r e r e s t ric t e d wi t h d i f f e r e n t c o n s t r a i n s ．F r o m a c o mp r e h e n s i v e p o i n t o f v i e w o f s e c u rit y a n d e c o n o my ，t h e g i s t f o r t h e o p t i mi z a t i o n o f v a l v e bo d y s t r u c t u r e a n d wa l l t h i c kn e s s i s pr o v i d e d Ke y wo r d s d e s i gn b y a n a l y s i s ；s t r e s s c l a s s i fi c a t i o n；s t r e n g t h e s t i ma t e；v a l v e b o d y ；fi n i t e e l e me n t me t h o d 1 前 言 阀门是特殊承压类设备 ， 属于异形压力容器。 国内外阀门的设计水平是紧跟压力容器设计技术 的发展 ， A P I 规 范 中许 多技 术标 准都 是 引用 了 A S ME标准 的 。阀体作为阀门的外壳及 主要 耗材零件占阀门重量的 7 0 ％ ， 其设计水平对阀门 制造成本、 工作性能和使用寿命有决定性的影响。 应力分析设计法在 阀体设计 中被采用 ， 尤其是一 些高参数和特殊结构 阀门 。应力分类是应力 分析设计的一大特征 ， A S ME规范 中给 出应力分 类的原则和部分典型问题 的分类结果 ， 但对于实 际的工程问题在规范中不一定都能找到对应 的结 果 ， 而且规范也没有给 出具体 的分类方法。如何 在掌握应力分类思想的基础上运用一定技巧对实 际工程问题中的应力进行分类和评定是实现分析 设计 的核心也 是难点 问题 。本 文 就 阀门设 计 中如 收稿日期 2 0 1 0 0 20 5 何运用应力分类思想对阀体进行应力分类和强度 评定的问题展开讨论。 2 应力 分类和 应力分析 设计法 应力分类概念源于美 国 A S M E V I - 2 ， 是应 力分析设计 的核心内容 ， 以详细的结构应力分析 为基础， 根据应力产生的原 因、 对失效模式所起的 作用及应力 的分布把应力分为一次应力 P 和 P ， 二次应力 Q和峰值应力 F， 以等安全裕度 为原则对不同性质的应力用不同的强度条件加 以 限制， 危险性较小的应力可以 比危险性大的应力 取更高的许用应力值 。相比较于常规阀门设计 的单一失效准则 ， 在确定结构 的强度限制条件时 引入应力分类思想 ， 不同种类 的应力服从于不同 的强度条件 ， 一方面考虑了可能出现的一些主要 失效模式而使设计更安全可靠； 另一方面允许局 2 0 1 1 年第 3 9卷第 1 期 流体机械 3 3 部可控制的塑性 区的出现 ， 适 当提高 了许用应力 值 ， 在严格保证安全性 的基 础上充分发挥材料 的 承载潜能而使设计更经济 ， 节约材料。 3 阀体 的应 力分析 和应 力分 类 阀体与圆筒形容器相 比， 形状复杂 ， 而且不同 阀门的阀体形状各异 ， 不可能得到 阀体应力计算 的精确公式。常规设计 中， 一般用途 的阀门是将 阀体简化成直通 圆筒 ， 依靠最小壁厚来保证其强 度的， 不进行详细的应力计算 ， 而根据经验公式得 出的壁厚值 在综合 考虑安全性 和经济性方 面不 一 定 是最合 理 的， 使设 计有 一定 的盲 目性 。 ’ 。 应力分类要求进行详细的应力计算 ， 得到结构的 实际应力分布情况。随着计算科学 的发展 ， 有限 元法可以有效 的对阀体进行应 力分 析 ， 许多优秀 的分析软件 也成为我们解 决实 际工程 问题 的重 要工 具 。 阀体是 阀门最重要 的零件之一 ， 它主要功能 是作为工作介质的流通通道和承压部件 。工作时 阀体内壁承受工作介质 的压力 ， 各法兰分别受螺 栓力和垫片力 的作用 ， 关 闭状态时阀座受密封力 的作用 ， 除此之外 阀体还会受温度载荷作用和工 作介质腐蚀影响。在这样 复杂 的受 载情况下 ， 对 阀体的应力分布状况首先关注两个 问题 ， 一是最 大应力出现的部位及大小 。二是应 力集 中问题。 应力集 中使局部地区出现的高应力降低该区域承 载能力， 应通过结构优化进行消除。最大应力 出 现的地方是阀体最危险、 需要强度校核的地方 ， 阀 体由于结构形状和受载情况不尽相同 ， 最大应力 区也不相同。通常在进出口管与阀体 中腔分型面 附近会 出现较大应力 ， 筋板和阀体或法兰连接处、 壁厚变化处 、 直径较大阀体 的中腔、 阀座底部倒 圆 角等 有 形 状 突 变 的 地 方 都 可 能 出 现 应 力 集 中 圳 。 了解阀体应力分 布状 况后 ， 要对最危 险地 区 进行强度校核， 先将应 力分 为平衡压力与机械载 荷所必需的一次应力 ， 满足外部约束条件或 自身 变形协调所必需 的二次应力和由局部结构不连续 或局部热影响引起的附加于一次与二次应力之上 的峰值应力 。按标准 ， 阀体中平衡 内压引起 的 薄膜应力为一次总体薄膜应力 P ， 局部 区域如进 出口管 附近 由外 载荷或 内压 引起 的薄膜应 力为 一 次局部 薄膜应力 P ， 局 部结 构不 连续处 的弯 曲应力为二次应力 Q， 总体热应力也属 于二 次应 力 Q “ 。典型闸 阀阀体应力 的分类 情况列 于表 1 。 表 1 阀 体 应 力 分 类 位置 应 力的起 因 应力 的类型 所属种类 总体 薄膜应力 P m 阀体任何截面 外载荷或力矩 弯曲应力 沿壁厚 的应力梯度 P m 远离不连续处 内压 轴向温度梯度 Q 的阀体 薄膜应力 Q 总体薄膜应力 弯曲应力 Q 阀体 中腔与 外载荷或力矩 局部 薄膜应力 弯曲应力 P Q 管法兰连接处 或 内压 峰值应力 F 4计算实例 采用 A N S Y S软 件 ， 以 某 公 司 闸 阀 C L A S S 9 0 0 ， N P S 8 为例对 阀体进行详细应力分析计算 ， 根据分析设计 应力分类 思想对 阀体进行 强度评 定 。阀体材料 WC B， 杨 氏弹性模量 E 2 0 6 G P a， 泊松比 0 ． 2 5， 抗拉极 限为 4 8 2 ． 8 MP a ， 屈 服极 限为 2 4 8 ． 3 M P a ， 设计应力强度 S 1 6 5 ． 5 MP a 。 4 ． 1 建立阀体实体模型 本文采用实体建模法 ， 先生成几何模型 ， 再进 行 网格划分 ， 便 于几何上 的改进和单元类 型的改 变， 容易 实现 有 限元模 型 的生成。先采 用 S o l i d Wo r k s 建立阀体几何模型， 然后把模型格式转换导 人 A N S Y S中进行结构静力分析。几何模型建立 时， 将次要的局部位置进行简化。根据 阀体结构 、 载荷 、 材料等对称 的特点， 将研究对象沿对称面剖 取一半进行分析 见图 1 。 图 1 A N S Y S中阀体几何模 型 4 ． 2 阀体 有 限元模 型的 建立 3 4 F LUI D MACHI NERY 4 ． 2 ． 1 定义单 元属性 根据阀体的结构和受力特点， 采用砖形六面 体单元 S o l i d 4 5对模型进行离散， 该单元通过 8个 节点来定义 ， 每个节点有 3个沿着 x y z 方向平移的 自由度 。单元具有塑性 、 蠕变、 膨胀、 应力强化 、 大 变形和大应变能力。 4 ． 2 ． 2 网格划分 采用智能网格划分一 S ma r t S i z i n g ， 考虑几何 曲 率以及线与线的接近程度 ， 将划分尺寸定为 5 。划 分网格后的模型有 1 7 8 5 0个单元 ， 5 1 3 8 4个节点。 网格划分结果如图2所示。 图 2 网格划分后 阀体有限元模型 4 ． 3 边界条件 、 加 载和 求解 根据阀体的受力情况， 管法兰端面施加固定 约束 ， 剖分面施加无摩擦滑动约束。在 阀体与介 质接触的内表面施加水压试验 2 3 ． 4 M P a 压力。加 载后进行求解。 4 ． 4结果 分析 后处理采用通用后处理器 ， 处理后显示等效 应力云图如图3所示。最大应力出现在 阀体进出 口管内侧与阀体 中腔交界处分型面附近， 是处于 结构形状有突变的地方 ， 与实际失效 区域较一致 ， 计算结果具有工程意义 。 a M e m b r a n e薄膜应力 二 6 4 7 5 9 、 Vo 1 ． 3 9， No ． 1， 2 01 1 图 3 阀体等效应力 云图 4 ． 5应力分 类与 强度 评定 4 ． 5 ． 1 应力分解 有限元求解得 出的是组合应力 ， 要进行应力 分析强度评价 ， 先采用等效线性化方法对应力校 核线上的应力强度值 当超过屈服点时为名义应 力或虚拟应力 进行分解 。等效线性化方法是采 取静力等效的办法用一个等价的线性化应力分布 代替实际应力曲线 。在最大应力出现的地方 阀 体中腔与进 口管交界处选取穿过壁厚的应力校核 线如图 4所示。等效线性 化处理结果如 图 5所 示 ， 应力分解后均匀分布的平均应力属 于薄膜应 力 ， 线性分布的应力属于弯曲应力 ， 还有非线性部 分 。 图4 应力校核线 1 ～2 b B e n d i n g 弯 曲应力 c M e mB e n d 薄膜应力 弯曲应力 图 5 等效线性化处理 2 0 1 1年第 3 9卷第 1 期 流体机械 3 5 4 ． 5 ． 2应力 分类 利用内嵌于软件后处理器中的等效线性化把 实际应力曲线用静力等效 的办法做线性 化处理 ， 只分解 出薄膜应力 、 弯曲应力与非线性应力部分 ， 分解出的应力还必须要根据应力产生的原因、 作 用和应 力 的分 布来 分 析 属 于 哪 个类 型。根 据 A S ME规范Ⅷ一 2 ， 在局部 区域 ， 考虑防止产生过大 变形而降低传递载荷 的能力 ， 由内压或其他机械 载荷产生的均匀分布的薄膜应力无论是一次还是 二次的都划归为一次局部薄膜应力 ， 同时明确将 所有线性分 布的弯 曲应力 划归 为二次应 力 。 这样 ， 二次薄膜应力被划归为一次局部薄膜应力 ， 局部弯曲应力虽然按其产生的原因含有一次的成 分 ， 但考虑它具有二次应力 的一些特点而统统被 划为二次应力 ， 从整体考虑是合理的。根据 以上 分析 ， 按 照应力分类 的规定 ， 在局部区域 ， 均匀分 布的薄膜应力为一次局部薄膜应力 P ， 它是局部 应力 区薄膜应力总量 ， 其 中包括 了 P ， 所 以在此 只校 核 P 。线性 分 布 的弯 曲应 力 为二 次应 力 Q “ 1 5 3 。 4 ． 5 ． 3 强度评定 提取薄膜应力 、 薄膜应力 弯曲应力 ， 求取应 力强度 ， 按照不同的强度极 限进行评定。评定结 果如表 2所示 。可见阀体的设计壁厚能够满足 要求 ， 能确保阀门正常运行工况下安全可靠。但总 体来看阀体应力水平不高 ， 在保证铸造工艺和腐蚀 裕度前提下 ， 应根据应力分布 ， 适当减薄阀体壁厚。 表 2 各类应力强度评定结果 M P a 类别 计算值 许用值 强度校核 K1 评定 结果 一 次局部薄膜应 力强度 S Ⅱ P I 1 6 4 ． 8 1 ． 5 S 1 ． 51 6 5 ． 5 2 4 8 ． 3 l 6 4 ． 8 2 4 8 ． 3 通 过 一 次加二次应力强度 S Ⅳ P l _ Q 2 7 1 ． 9 8 3 S 31 6 5 ． 5 4 9 6 ． 5 2 7 1 ． 9 8 4 9 6 ． 5 通过 5 结 语 对于阀体这种复杂部件采用应力分析设计 ， 往往能够得到比常规设计更安全 、 更经济的的结 构 。用有限元法或其他计算方法得 到详 细的 阀体应力分布状况并没有完成分析设计 ， 还必须 把应力进行分类 ， 对不同性质的应力采取不同的 限制条件 ， 充分发挥材料承载潜能， 才能使设计即 安全可靠又有 良好的经济性。 参考文献 [ 1 ] 朱翌总． A P I 6 D管线阀门第 2 2版分析[ J ] ． 阀门， 2 0 0 2， 5 2 6 - 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