高温高压球阀球体的热-结构耦合分析.pdf

高 温 高 压 球 阀 球 体 的 热 一结 构 耦 合 分 析 口汪玉凤 口柳栋梁 口史庆泰 1 ． 兰 州理 工大 学 机 电工程 学院 兰 州 7 3 0 0 5 0 2 ． 浙 江宣达 集 团 浙 江温 州 3 2 5 1 O 0 摘要 根据理论设计球体半径 ，采用 S o l i d Wo r k s 建立球体的三维模型 。应用有限元分析软件 Wo r k b e n c h对球体分别进行结构分析和热一 结构耦合分析。通过对比分析 ， 对不符合强度要 求的球体进 行设计改进。结果表 明 球体的应力是热载荷和结构载荷共 同作 用的结果 ， 热一 结构耦合分析为球体的 可 靠性设 计提供 了理论 分析依 据 。 关 键 词 球 阀球 体热一 结 构耦 合分 析 中 图分类 号 T H1 3 8 ． 5 2 文献标 识码 B 文章 编 号 1 0 0 0 4 9 9 8 f 2 0 1 5 1 1 2 0 0 1 0 0 2 球 阀 是 一 种 以 球 体 作 为 启 闭 件 ，可 借 助 手 柄 或 其 它 驱 动 装 置 驱 动 球 体 旋 转 9 0 o 。 使 球 体 通 孔 与 阀 体 通 道 中 心 线 重 合 或 垂 直 ， 实 现 全 开 或 全 关 动 作 ， 常 用 的 球 阀 从 结 构 上 可 分 为 浮 动 球 球 阀 与 固定 球 球 阀 两 种 。 球 阀 的 使 用 非 常 广 泛 ， 在 石 油 天 然 气 、 煤 化 3 2 行 业 、 核 2 1 2 业 等 方 面 都 有 广 泛 的 应 用 ⋯。 球 阀 结 构 简 单 ， 密 封 性 好 ， 能 实 现 快 速 启 闭 。 球 体 作 为 球 阀 主 要 的 承 压 件 ． 对 整 个 球 阀 的 使 用 性 能 是 至 关 重 要 的 ， 在 生 产 实 践 中 ， 球 阀 球 体 强 度 的 校 核 都 靠 经 验 或 者 分 析 软 件 进 行 ． 对 于 高 温 高 压 球 阀 ， 高 温 产 生 的 热 应 力 对 球 体 材 料 的 性 能 具 有 一 定 的 影 响 ，单 纯 结 构 分 析 没 有 考 虑 高 温 对 球 体 的影 响 是 有 缺 陷 的 。 笔 者 在 有 限 元 结 构 分 析 的 基 础 上 ， 应 用 Wo r k b e n c h进 行 热 一 结 构 耦 合 分 析 ．对 浙 江 宣 达 集 团 某 型 号 9 0 0 1 b球 阀 的 球 体 在 4 0 0 ℃ 、 8 MP a的 压 力 下 进 行 全 关 闭 状 态 下 的 结 构 分 析 和 热 一 结 构 耦 合 分 析 ， 为 球 体 的 可 靠 性 设 计 提 供 理 论 依 据 。 1 球体 半径的确定 根 据 密 封 圈 材 料 的 许 用 比压 ， 按 密 封 面 的 必 须 比 压 计 算 公 式 ， 初 步 确 定 密 封 面 的 宽 度 b q b 1 0 式 中 b 为 密 封 面 的 宽 度 ， mm； q 为 密 封 面 的 必 须 比 压 ； c为 与 密 封 面 材 料 有 关 的 因 数 ，对 于 铬 基 硬 质 合 金 ， c 3 ． 5； K 为 在 给 定 密 封 的 条 件 下 ， 考 虑 介 质 压 力 对 比压 值 的 影 响 因 数 ， 对 于 铬 基 硬 质 合 金 ， K O ． 1 ； P 为 公 称 压 力 ． MP a 。 阀 座 密 封 圈 的 材 料 为 铬 基 硬 质 合 金 ， 许 用 比 压 为 [ q ] 1 5 0 MP a 。 将 以 上 数 值 代 入 式 1 中 ， 运 算 得 收稿 E l 期 2 0 1 5年 6月 2 0 1 5 ／ 1 2 b ra O． 0 0 0 O O 4 p 0． 0 0 0 3 pO ． 00 5 4 2 不 管 球 阀 处 于 开 启 状 态 还 是 关 闭 状 态 。密 封 面 与 球 体 接 触 面 的 宽 度 都 不 能 小 于 6 。 根 据 工 况 ， 球 体 强 度 如 需 加 大 ，则 可 适 当 加 大 球 体 直 径 。 最 终 设 计 球 体 直 径 为 2 4 7 mm。 因 不 考 虑 泄 压 ， 球 阀 在 关 闭 时 ， 球 体 还 承 受 温 度 和 压 力 的 作 用 ，所 以 只 对 球 体 的 关 闭 状 态 进 行 结 构 和 热 一 结 构 耦 合 分 析 。 2 球体 有限元模型的建立 固定 球 球 阀 体 ． 由 两 端 与 球 体 连 接 在 一 起 的 固定 轴 承 与 阀 体 上 的 滑 动 轴 承 支 承 ， 球 阀 关 闭 时 。 在 介 质 压 力 的 作 用 下 ， 球 体 不 会 产 生 位 移 [ 。应 用 S o l i d W o r k s 软 件 建 立 球 体 的 三 维 模 型 ， 导 入 有 限 元 分 析 软 件 W o r kb e n e h 中 ． 球 体 材 料 选 用 锻 造3 0 4 不 锈 钢 ． 材 料 属 性 见 表 1 ， 采 用 自动 划 分 网格 ， 共 划 分 网 格 节 点 数 为1 7 4 5 0个 ． 网格 中 的 单 元 数 为 9 3 8 2个 。 三 维 模 型 如 图 1所 示 。 3施加 约束 和载荷 根 据 有 限 元 分 析 的 要 求 ，必 须 对 有 限 元 模 型 进 行 约 束 ， 才 可 使 分 析 具 有 意 义 _ 3 _ 。 无 论 是 结 构 分 析 还 是 热 一 结 构 耦 合 分 析 ， 对 于 球 体 ， 在 介 质 的 压 力 作 用 下 ， 表 1 球体 材料属性 I 材 料l 弹 性 模 量l 泊 松比 J 密 度 j 热 膨 胀 系 数 导 热 系 数 F 3 0 4 l 2 0 6 G P a 1 0 ．3 1 l 7 7 5 0 k 咖 I 1 ．7 x l O ℃ 一 1 5 ． 1 W ， m ℃ 机械制造 5 3卷 第 6 1 6期 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m