截止阀焊接阀座的应力计算与分析.pdf

2 0 0 1 年第 2 期 阀 门 文 章编 号 1 0 0 2 一 S 8 S S 【 2 0 0 1 】0 2 0 0 0 1 0 5 截 止 阀焊接 阀座 的应 力计算 与分析 王 泽 清张卫 东 { 哈尔滨锅炉厂有限责任公司，龙江哈尔滨1 5 0 0 4 6 摘 要介 绍 了计 算机 辅助 截止 闽焊 接 阀座应 力计算 的方法、程序 和过 程 ．绔 出 1计 算结果并作 了比较 和分析 ．提 出 7消除问座应 力变 形的改进 方案 和建议 。 关 键 调截止 阁 ；焊 接 阀座 ；C A D 中田 分粪 号 T G 4 0 4 文献 标识码 A St r e s s c a l c u l a t i on a nd a na l ys i s o n we l d i n g s e a t o f s t op v a l v e W AN G Ze c l i n g， ZHAN G W e i d o ng H a e r b i n B o i l e P l a n t L D e d h 8 b 丑 j 竹 c o ml n y ，I - e r b h a 1 5 0 0 4 6 ， C h i n a Ab s t r ac t W hi l e s t op v a l ve i n u s e i t s we l di n g s e a t h a s S e v e r e s t r e s s P t U S e S da m a g e t o t he s e at ， we c a l c u l a t e a nd an a l y s i s t he s t r e s s by us i ng ge n e r a l l i m i t e l e me nt pr o gr a m ， w i t h 8 n ot c he s ， e qu a l p r ef e r e n c e uni t ， a xi s s y m m e t r y． Ke y wo r d s s t op v a l v e； we l di ng s e a t ； CAD 在高温高压截 止阀设计 中，为 了提高 阀 门 密封 面 的硬 度 ．对 公 称 直 径 ≥ 5 0 ram 的 截 止 阀 ．大 多 采用 阀座 嵌入 阀体 焊 接 的 结构 图 1 。在加工 以及装 焊过程 中， 阀座与 阀体相接 处的平面 有 0 ． 3 --0 ． 4 mm 的间隙。这样 ，阀门 在额 繁的开 启和关 闭过 程 中，焊 缝处所承 担的 应力 加大，造成 焊缝出现裂 纹，产生破坏 ，影 响了阀 门的使用 寿命。为 了解决 这一 问题 ， 以 图 1间座 DN1 0 0 mm P N2 ． 5 MP a J 6 1 H一 2 5 截 止 阀 为 例 ．进 行 了 计 算 和 分 析 。该 阀 阀 体 材 料 为 WC B ，阀 座 材 料 为 2 5钢 ， 密 封 面 采 用 ED C r Ni b堆焊 ， 阀座和 阀体 的焊 接 则采用 E 5 0焊 条 。 l漠型和 方法 由于截止阀焊接 阀座处与应力计算有关部 位可 以简 化 成轴 对 称结 构，所 以在 计 算机 上 ， 采用 八节点 、等参数 和轴对称 有限元 法通 用应 力计算程 序进行应 力计 算分析 。计算 模型 如图 2所示， 阀体部 分的右 侧和 下侧 为 固定端 ，模 型 图左 边界为 自由端， 阀座 密封 面承受 阀杆作 用的集 中载荷．其余部分承受介质压力的均布 载荷 。经计算 ， 阀杆集 中载荷 对密封 面的 比压 q6 0 ． 5 4 6 MP a 。介 质 压 力 均 布 载 荷 q 24， 5 2M P 怍者简介王洋清 1 9 5 0 一 ．男．沈耵人．高级工程师，从事 电站阀门的设计、研究和调试工作 。 维普资讯 VALVE DESIGN QQ40444436 VALVE DESIGN QQ群号40444436 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载 阀 门 2 0 0 1 年第2期 f b f c 1 同压2．罔 悴 a 原设计 b 修改方案 1 c 修改方案 2 图 2 计 算 模 型 计算 按 3种情况进 行。①计算模 型同原设 角 R l mm，整个 槽 向左 侧平 移 l mm， 密封 计的焊后 情 况 ，划 分 成 6 3个 单 元 ，2 5 0个 节 面外侧倒 角 3 0 ’ 的焊后情 况 ，划 分成 6 3个 点 图 3 。◎ 计算 模 型 上 部 环 向槽底 尖 角改 单元 ．2 4 9个 节点 图 5 。 为 Rl mm 的圆角，侧部周 向槽 宽 由 3 mm 改 为 2 ram。 阀座底 部 外 周 边 和 阀体 靠 紧 的焊 后 情况 ，捌 分成 6 3个 单元 ，2 5 0个节点 图 4 。 ③计算模型 上部环 向槽 深 6 mm改为 5 ram．圆 正 ___ 罄 匿 一 } { f＼ ＼ 。． 图 3原设 计 的单 元节 点 菡 l‘ 誊 u Ⅱ 【 ． 卜 f ＼ l l f＼ 图 4修改方 案 I的单元 节 点 在计 算机上所 进行的应 力计算数据 ，应用 第 四强度理论 换算 成相当应 力 。 相 当 √ } i 一 l X 2 一 1 3 一吼X 3 在以下 计算 中均 以 相 当 应 力 为 分 析 依据 。 维普资讯 VALVE DESIGN QQ40444436 VALVE DESIGN QQ群号40444436 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载 2 0 0 1 年第2期 阀 门 J匪三 一 ，一 ． 【 * j ＼ f I ／ l I l I l I l l l l l ＼ ， 图 5修改 方 案 2的单 元 节 点 蓬 2 94 2 4 5 1 9 6 1 4 7 9 8 ≤ 盥 力 胁 图 6原 设计 的应 力 曲线 原设 计、修改方案 1和修改方 案 2的 阎座 和焊 缝处 应力分 布情况 如 图 6 ～8 。 2结果与分析 原设计方案 以及两个 改进设计方 案的计算 结果 中 比较典型 的节点相 当应力 列入表 1 和表 2 。 圈 7 修 改方 案 1的 应力 曲线 口匿陲 I l l 、 l。Il II Ell I J I l l lI Jl l l f Il Ill l l 『 l l 、 l ／ 圈 8修改 方 案 2的应 力 曲线 根据有限元 法通用应 力计 算 程序 的计算 结 维普资讯 VALVE DESIGN QQ40444436 VALVE DESIGN QQ群号40444436 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载 4 阀 九 2 0 0 1 年第 2 捌 果，原设计及 2 个修改方案 ，在f 固 杆 集 中载荷对 密封面的 比压 口6 0 ． 5 4 6 MP a ，介质压力对 密封 面的均布载荷 ‰ 2 4 ． 5 2 MP a作用下 ，最大应力 均发生在密封面上平面，以及 上部焊缝 环向槽的 右 上 部。 如 第1 8 点， 原 设 计 的明 3 3 4 ． 2 MP a ,修改方案 1的 d 3 1 8 ． 9 1 MP a ，修 改方案 2的 d 2 7 6 ． 6 4 MP a 。但是， 由于密封 面采用 E D C r Ni b铁基 硬质 合 金堆 焊，堆焊 硬 度 } Ⅱ t G≥ 3 7 ，根据硬度 和抗拉 强度的换算 值可知， 对 于 E DG r Ni b ,HR C3 7 ． 7时， l 1 8 2 MP a , , HR C 3 9 ． 8时， 1 2 5 7 MP a , ,HR C4 0 ． 8时， 1 2 9 8 MP a 安 全 系 数 n3时， [ ] ”． 7 3 9 4 MP a ， ] ． 8 4 1 9 MP a , ∞． 8 4 3 2 ． 7 a o 衰 1 阁 座处 各典 型节 点 的相 当应 力 括 当 MP 戚设计4 3 ． 8 方 案 1 3 7 ． 3 方 案 2 6 1 ． 2 虽 然 密 封 面 上 的 应 力 为2 7 6 ． 6 3 3 4 ． 4 MP a ，但是 仍 然低 于 堆 焊材 料 的许 用 应 力 。所 以，在阀 门频 繁启闭过 程中 ， 阀门密封 面 不会产 生破坏 。从表 1的应力数 值分 析，方 案 2的 口 女 比原 设 计 最 大 应 力 值 降 低 5 7 ． 6 6 MP a ，比方案 1降低 4 2 ． 8 5 MP a 。另外， 从计算密封面上的变形量 表 3 分析，方案 2 的整体变形量小于原设计和方案 1 。以第 3点 为 例， 在y 方 向， 原 设 计 变 形 量 f 0 ． 0 9 5 3 mm，方案 1变形 量 f0 ． 0 8 9 mm，方 案 2变 形 量 f0 ． 0 7 r t m a 。方 案 2无 论 在 应 力 上． 还是在变形 量上 均优 于原 设 计和 方案 1 。按照 方案 2的设计思路，即沿密封面外径加工 3 0 角，不但降低阀瓣密封面的应力，而且 由于变 形量减少，使阀门的密封性能也得到了提高。 衰 3阁座左 边 界 各节 点 的变 形量 r n m1 0 由计算得 知，阀座和 f 哥体焊 接采 用 的 E 5 0 行中的实 际情况 ，安全 系数取 n 2 ，则 熔 焊 焊条的抗拉 强 度 o - b 4 9 0 MP a 。根 据 该 阀在运 金属 的许用应力[ ] 2 4 5 MP a 。这样 ，原设 i ； 丑 ∞∞ l l 埔 5 9 2 铊 ”盼 ； 9 7 1 i 1 7 7 9 “ 4 8 9 驺 拈 2 2 1 5 9 9 ； 7 5 m i n卯 3 2 l 瑚 眠 8 4 O 牾m科 2 1 ； ； “ 5 9 3 5 8 9 n n 2 2 7 m L 9 3 。 黯 维普资讯 VALVE DESIGN QQ40444436 VALVE DESIGN QQ群号40444436 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载 2 0 0 1 年第 2 期 阀 门 计 中焊缝 处 相 当 应 力 超 过 许 用 应 力 的 节 点 共有 2个 ，方案 1和方案 2中 均 小于 许 用 应力。这 3种计 算模型焊缝 处的应 力，基本 上是 沿着 熔 焊金属 与 阀座、 阀体相 熔 接 部 分。 如 原设计 中的 第 1 7 9点 d 楣 2 5 3 ． 4 MP a 。方 案 1中的第 1 7 9点 相 2 2 4 ． 7 6 MPa ，第 1 7 5 点 相 2 4 9 ． 5 8 MP a 。方 案 2 中 的 1 7 6 点 相 当 1 1 4 ． 9 MP a ， 1 7 9点 相当 1 2 8 ． 9 MP a 。 可见在阀杆集中载荷和介质压力作用下，如果 按原 方案．阀 门在频繁 的启 闭下 ，容易产 生环 向焊缝 裂纹 ．而 使 阀 门遭 到破 坏 。按 方 案 2 ， 环 向焊缝 处 的应力 远小于许用应 力 ，因此不会 出 现破坏 。 对于 阀体材料 WC B ，其许用应力 [ ] 1 2 1 MP a 。阀 座 材 料 2 5 ， 许 用 应 力[ ] 1 3 7 ． 2 9 MP a 。据材料本 身 的机械性 能 ，计算 出 的应 力值 如 果超 过 了弹 性 极 限 后 ，材 料 将 产 生不可恢复的变 形 ，即塑性变形 。 由于 二者 均为 良好 的塑 性 材料 ，因 此 ， 由计 算 结 果 可 知，在阀体与 阀座的局部将会产生塑性变形。 根据计算的各节点的变形量可以表明，只 要阀座和阀体接触部位的间隙合理，加载后阀 体 和 阀座 局部 会产 生塑 性变形 并 紧靠在 一 起 ， 而不至于在作用力的反复作用下产生疲劳或继 续 出现裂 纹 反 之 ，如 果 间隙过 大 ，加 载 后 ， 变形 量会超过 塑性变形 允许范 围，必 将 出现断 裂现象，造成 阀门泄漏 。此时，应采取 补偿措 施 ，保证 焊缝 处及其他部 位的应 力值不再 出现 上升 的趋 势。 3结论 计算 与分析 的结果 表明． 阀座在 载荷的作 用下 ．其 变形 对焊缝及 密封 面 的应力 有很大 的 影响 。如果 在装焊后 留有 0． 2 mm 以上的 间隙， 就会像 两端 固支的粱一 样．在密封面边缘 如 表 1数 据 中 的 3 、1 8 、2 7 、4 4和 5 3节 点 处 产生过 大 的应力 ．造成密封 面 出现裂 纹及 阀座 焊接环缝 断裂 ，在使 用 上是 不安 全 的。对 此 ， 提出 4点建议 。 ① 阀座装焊后 ．应根 据 阀门的公称通径 和 结构 的不 同，控 镧 阀座 和 阀体 接触 面 间 隙 为 0． 0 7 ～ 0． 1 5 ram。 ② 阀座改 成方 案 2结构 ，将 其中所有应 力 槽底 部 圆 角 Rl mm 改为 R 2 mm。 以消 除 该 处产 生 集 中应力 。右侧 应力 槽探度 2 mm 改 为 3 ram，以利 于 有效 地 限 定其 局部 塑 性 变 形 范围。 水 压试验后 ，对焊缝 以及环 向槽 角进行 必要的无损探伤检查。 ④ 由于工 艺水平 因素而 不能保证 阀座与 阀 体之 间的适 当间隙范 围，则应 该采取其 他补偿 措施 减小 间隙。 参考文献 [ 1 j 徐蠹．机械援计手册[ M] ．北京 机械工业出版杜。 1 99 3． [ 2 ]G B ， T 5 1 1 8 - 1 9 9 5 ．低音盘锕焊条[ s ] ． - 3 ] 徐秉业．弹塑性力学爰其应用[ M] ．北京 机 械工 业 出版杜 。 1 9 8 4． [ 4 ] 赶 九江材料力学[ M] ．暗尔蒜 t暗尔蒜工业 大学 出版 社 。1 9 9 8 ． 收稿 日期 2 0 0 0． 1 1 ． 8 } 、 { 诚 聘 { ． { 本厂是 专 业生产美标 、 日标和 国标 等 高中压 阀门 的企 业，座 落于浙江省温州三桥 工 业区。为适应 生产和 业务 发展 的需要 ，经永 嘉县人才服 务 中心批准， 诚聘 高教工 程师 1 名，高级管理人员 1 名，精通英语和 网络的销售人员 1 名。本厂热忱欢迎怒 的加盟。 浙 江 远 东 高 中 压 阀 门 厂 地址 浙 江省温州 三桥工 业区 一 嗣3 2 5 1 0 5 电话 0 5 7 7 --7 3 1 6 7 7 1 手 机0 1 3 8 0 6 8 3 1 3 5 0 维普资讯 VALVE DESIGN QQ40444436 VALVE DESIGN QQ群号40444436 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载