阀体四合环位置应力分析及优化设计.pdf

文章编号 100225855 2007 0420017202 作者简介刘金梁1980 - ,男,黑龙江省哈尔滨市人,助理工程师,从事阀门设计与研究工作。 阀体四合环位置应力分析及优化设计 刘金梁,赵玉坤,刘明 哈尔滨哈锅阀门股份有限公司,黑龙江 哈尔滨150046 摘要 利用ANSYS软件及其分析设计方法,对阀体中腔安装四合环的位置进行了有限元应 力分析。给出了阀体四合环位置圆角与应力的对应关系及优化设计结果。 关键词 ANSYS;优化设计;阀体;四合环; CAD 中图分类号 TH134 文献标识码 A Stress analysis and optimum design of the valve body quarter2rings LIU Jin2liang , ZHAO Yun2kun , LIU Ming Harbin HBC Valve Company Limited , Harbin 150046 , China Abstract This article uses the ANSYS software and analysis design to make a detailed finite element stress analysis of the head of valve body where placed the quarter rings. Key words ANSYS; optimum design ; valve body; quarter rings; CAD 1 概述 在关断类阀门中普遍采用压力自紧密封式结构 图1 ,连接的密封性能依靠工作介质自身产生的 力来达到。随着压力的增加,填料室座的密封力也 逐渐增大,密封性能也随之增加。由经典的力学分 析可知,四合环将产生一个很大的剪力作用在阀体 中安放四合环的内腔上部,阀体A位置将产生应 力集中现象。若对A位置设计成圆角以减小峰值 应力,阀体四合环位置的应力分析及圆角值的确 定,需要给出设计规程及数据分析。 11 阀体 21 填料室座 31 密封圈 41 压板 51 四合环 61 压盖 图1 压力自紧密封式结构 2 优化设计 利用ANSYS软件和优化设计方法能够实现阀 体四合环位置的有限元分析及圆角数值的分析确 定。为了对计算机资源的节省,可选取阀体和四合 环的装配关系进行研究,将阀体的中腔作为研究对 象,计算结果影响较小的零件和尺寸。为了便于分 析的加载,选取装配件的1/ 4进行计算,在对称面 上施加无摩擦滑动约束。模型结果如图2所示。 阀体和四合环的材料属性为SA - 182F91 ,接 触关系设置为“Frictionless”,网格划分精度选择 100 ,定义图1中A处尖角位置的网格大小为 2mm ,在阀体中腔及四合环下端面输入水压强度 试验时的介质作用力7615MPa。求解Sint应力并 同时在分析设置中保存“db”数据库文件。 在ANSYS经典界面中打开“db”文件,运用 软件的应力评定线功能,提取阀体安放四合环的位 置并垂直于壁厚的薄膜应力和薄膜弯曲应力值, 数值列于表1。 由结论可知,阀体在承受水压强度试验时,应 力强度值没有超过许用值。现将阀体模型四合环处 的尖角更改为圆角,并把圆角的属性更改为 “DS”,将圆角参数化,之后转入ANSYS Design 712007年第4期 阀 门 Xplorer进行优化设计分析。 表1 阀体四合环位置的应力强度值MPa 应力评定线薄膜应力薄膜弯曲应力结论 Path18911915714合格 Path23719092169合格 Path33811573172合格 Design Xplorer技术可以量化地研究零部件设 计参数变化时结构响应和热响应的变化,并用图形 直观地表示这些变化,由此设计人员可快速地由现 有产品生成新型设计,也可根据新的工作条件对现 有零部件进行优化。 重复上述的定义材料属性、施加载荷并求解的 全过程,保存结果后,将模型转入DX中。根据机 械加工工艺方面的要求,将圆角的下限设置成R 015mm。由于四合环的空间限制,将圆角的上 限设置成R 4mm。经求解计算,得到圆角-应 力曲线图 4 。 图2 装配体模型 图3 应力云图 从曲线可以看出,在R 015～212mm时,最 大应力随着圆角的增加而逐渐减小在R 212mm 处达到最小值,之后在R 212～4mm时,最大应 力趋于平缓,说明随着圆角的增大而最大应力的变 化并没有受到较大的影响。圆角与最大应力值的对 应关系如表2所示。将圆角的期望值设置成中间 值,重要性设置为高,将最大应力值的期望值设置 成最小,重要性设置成高,得到优化设计的三个候 选方案图 5 。软件的优化设计结论认为,当R 212502mm时,各项综合指标最优。 图4 圆角-应力曲线 图5 优化设计结果 表2 圆角与最大应力的对应关系 圆角Rmm0151115221533154 最大应力值MPa564126541176536121535126535123535128535133535135 结合机械加工中的实际情况,设计时将圆角的 大小定义为R 2mm。 3 结语 ANSYS为设计提供了动态的交互工具,对设 计方案修改带来的变化提供了瞬时的反馈。De signXplorer可与DesignSpace共同工作,与主流的 下转第21页 81 阀 门 2007年第4期 412 腐蚀 根据金相分析和形貌观察可知闸板表面存在腐 蚀。由于闸板表面沉积物中含有S、N和H ,这说 明介质中存在的H2S和HCN参与了腐蚀的电化学 过程。30 H3PO4和7 NH3的介质中摩尔比是 1135 ,由磷铵溶液的pH值与摩尔比的关系图[6]得 知,阀门所处介质的pH值约为513 ,处于酸性状 态。介质对闸板材料的腐蚀是一种电化学反应过 程。 阳极 Fe→Fe2 2e 阴极 2H 2e→2H→H2 二次反应过程为 Fe2 S2 -→FeS↓ 黑色沉淀 Fe2 2OH - →Fe OH2↓ 4Fe OH2 O2→4H2O 2Fe2O3↓红褐色沉 淀 Fe2 2PO3 - 4 →Fe3 PO 42↓ 黄白色至米色沉 淀 Fe2 2CN - →Fe CN2 Fe CN2 4NH4CN→ NH 44[ Fe CN6] ↓ 白色沉淀 氢氧化亚铁生成后,立即与空气中或溶液中的 氧气反应,因此很快变成灰绿色,最后变成红褐色 的氧化铁。白色的亚铁氰化铵,由于溶液中含有微 量氧,易将二价铁氧化为三价铁,生成铁蓝NH4 [FeⅡCN6FeⅢ] ,铁蓝的颜色强度很高,在全 色时几乎为黑色,所以腐蚀产物中除了含有红褐色 氧化铁和黑色硫化铁外,还可能有微量的磷酸亚 铁、亚铁氰化铵和铁蓝。 闸阀启闭时,提升闸板可刮除密封面上的腐蚀 物,造成闸板表面逐渐减薄,导致内漏。 413 结垢 由现场观察到闸阀内外大量的绿色结晶物可 知,造成阀门泄漏的原因还有结垢。由于生产过程 中H3PO4与NH3随着反应条件不同,分别生成 NH4H2PO4、 NH 42HPO4和 NH 43PO4,这三 种盐的化学稳定性依次减弱。三种纯净的磷酸铵盐 都是白色结晶状物质, NH 43PO4不稳定,在室 温下 分 解 释 出 氨。正 常 工 况 下,介 质 30 H3PO4、7 NH3和H2O蒸 汽在 温 度196～ 198℃,工作压力210MPa的管道中稳定运行。当 闸板腐蚀后发生泄漏,介质则在室温常压下运行, 此时磷酸铵溶解度降低,磷酸铵从过饱和溶液中结 晶析出。当NH3/ H3PO4摩尔比为1135时, Fe、 Al和Mg等杂质在氨化到一定中和度时形成 Fe , Al NH4 HPO42015H2O、Mg NH42 HPO424H2O和MgNH4PO4 H2O等复合物,使 得结晶物的颜色为绿色。结晶物填充在闸板与阀体 间,开关时没有及时冲洗,造成对闸板密封面过度 的挤压,使得密封面更加的凸凹不平。这使闸板密 封面更容易发生电化学腐蚀,腐蚀导致的泄漏,又 使得更多的磷酸铵从溶液中结晶析出。 5 结语 通过对闸板损坏原因的分析可知,不合格材质 及腐蚀和结垢是导致闸阀在腐蚀环境下发生泄漏的 主要原因。为防止类似事故的发生,既要选用合格 的阀门产品,还应严格控制吸收塔出口H2S和 HCN含量,使脱硫后焦炉煤气达标进入解析塔。 参考文献 〔1〕 王孝天,杨源泉,贺友宗.不锈钢阀门的设计与制造 〔M〕. 北京原子能出版社, 1987 3 - 8. 〔2〕 机械工业部合肥通用机械研究所.阀门 〔M〕.北京机械 工业出版社, 1984 12 - 17. 〔3〕 廖景娱.金属构件失效分析 〔M〕.北京化学工业出版社, 2003 18 - 21. 〔4〕 纪贵.世界标准钢号手册 〔M〕.北京中国标准出版社, 2003 410 - 411. 〔5〕 李俊梅.奥氏体不锈钢的晶间腐蚀及保护 〔J〕.磷肥与复 肥, 1999 , 3 73 - 75. 〔6〕 杜海泉,无水氨气提塔腐蚀原因及对策 〔J〕.燃料与化工, 1993 , 11 292 - 296. 〔7〕 何世杰,影响磷酸二铵产品颜色的因素分析 〔J〕.磷肥与复 肥, 2004 , 19 2 39 - 40. 收稿日期 20071041 17 上接第18页 CAD软件进行双向的参数传递,可大大降低设计 的迭代次数,加快设计流程。DesignXplorer友好 易用的图形用户界面和准确的计算结果,有助于产 品的设计创新,达到工程系统的质量要求。 参考文献 〔1〕 JB 4732 - 1995 ,钢制压力容器-分析设计标准 〔S〕. 〔2〕 ASME第 Ⅱ 卷D篇-性能 〔S〕. 〔3〕 ASME第 Ⅷ 卷 压力容器设计建造规则 〔S〕. 收稿日期 20071061 08 122007年第4期 阀 门