球阀密封性的有限元分析

何家胜林骁　朱晓明　张林

（武汉工程大学机电工程学院）　（中石化武汉分公司)



球阀密封性的有限元分析

何家胜*林骁朱晓明张林

（武汉工程大学机电工程学院）（中石化武汉分公司)

为保证球阀的安全运行，运用有限元方法建立了公称通径为150 mm、球体半径为135.5 mm的球阀分析模型，并对球阀密封比压进行了分析。通过调整两阀座端面的轴向距离来控制密封比压，从而使球阀达到密封要求。

球阀 密封比压 阀座 有限元 不锈钢

0　引言

云南天安化工有限公司使用的球阀曾频繁发生泄漏[1]；压缩天然气 （CNG）长管拖车上的球阀在使用2～3个月后往往也出现泄漏情况[2]。这些球阀泄漏事故不但会造成严重的经济损失，更危及到人们的生命安全，因此对球阀密封性进行分析有着重要的意义。

工程上，通常通过调整球阀壳体法兰的密封垫片厚度来控制螺栓预紧力，进而控制密封比压。然而这只能把密封比压控制在一个大致范围，并不能达到准确控制。王伟[3]、俞树荣[4]、张浩强[5]等人曾运用有限元方法对球阀密封比压的分布情况进行分析研究，且都是选择对阀座端面施加力载荷。实际上力载荷的大小在工程中往往难以准确控制。因此，本文选择更易准确控制的位移载荷。经过分析发现，控制两阀座端面的轴向距离就能有效地控制密封比压。

1　研究思路及原理

球芯和阀座构成球阀的密封结构。浮动球阀密封结构如图1所示，球阀两阀座端面在轴向的距离为L(本文中L为248 mm)，球阀壳体在螺栓预紧力下对阀座进行挤压，两阀座端面的轴向距离缩短2ΔL（阀座相对于球芯对称），阀座产生形变从而达到密封。工程上螺栓预紧力往往是通过法兰密封垫片的厚度来控制的，而密封垫片的厚度并无固定标准，通常都是各厂家依据经验方法自己确定，因此实际密封比压相对于设计要求常常会过大或者过小，并不能保证满足密封要求。本文运用有限元方法进行模拟计算，可以调整ΔL的大小，并找到两阀座端面的轴向距离与密封比压之间的关系。

图1　浮动球阀密封结构

2　球芯实体模型的建立

本文运用ANSYS软件建立天然气球阀密封的三维模型，零件模型使用的单位制是mm、N。球阀公称通径为150 mm，球体半径为135.5 mm，阀座外径为174 mm，阀座内径为150 mm。球阀装配好关闭时的实体模型如图2所示。

图2　球阀关闭时的实体模型

3　球芯的有限元模型

3.1设置单元类型

球阀球芯采用的材料是具有加工性能好、韧性高、耐腐蚀等特点的304不锈钢。在ANSYS中对球阀球芯的单元类型选择常用的六面体单元。该单元有8个节点，每个节点有3个自由度，能够较好地反映受力和变形情况，且计算结果精度高。

球阀阀座材料采用的是具有弹塑性的聚四氟乙烯 （PTFEC）。在ANSYS中对球阀阀座的单元类型选择三维大应变单元。

3.2设置材料属性

球阀球芯材料为304不锈钢，弹性模量为1.93×105MPa，泊松比为0.29。阀座材料为聚四氟乙烯,弹性模量为400 MPa,泊松比为0.35。

3.3划分网格

由于球阀球芯属于不规则体，难以用映射的方式划分网格，因此本文选择自由划分的方式对球阀球芯进行网格划分。考虑到球阀的大小及计算精度，单元尺寸选择10。而球阀阀座是规则体，因此选择映射的方式对其进行网格划分，单元尺寸选择10。划分网格后的模型如图3所示。

图3　有限元模型

3.4创建接触对

在球芯与阀座的接触面创建面与面接触对[6]，摩擦系数设置为0.1，接触面为球芯外表面与阀座内表面。阀座内表面单元类型设置为target170，球芯外表面单元类型设置为contac174。

3.5施加约束和载荷

球阀在组装时，壳体在螺栓的作用下施加作用力给阀座，阀座通过对球芯的挤压产生形变,从而达到密封的作用。球阀球芯可绕阀杆轴心自转，阀座固定不动，因此对阀座外表面加以全约束，对两阀座端面施加轴向位移载荷 （大小为ΔL）。在工作压力为1.6 MPa的条件下，球阀关闭时，对靠近进口的球芯外表面及靠近进口的阀座内表面施加工作压力。加载后的模型如图4所示。

4　有限元计算及分析

4.1密封比压的分布情况

由于球阀主要是靠预紧力挤压阀座产生形变达到密封，因此本文只分析阀座上的密封比压。靠近出口的阀座密封面模型如图5所示。王伟、俞树荣、张浩强等人运用有限元方法对球阀密封比压的分布情况进行过分析研究，但在施加载荷过程中，他们都是直接对阀座端面施加力载荷，而本文则是选择对阀座施加轴向的位移载荷，更接近实际情况。本文以轴向位移载荷ΔL=0.5 mm为例，简要分析密封比压的分布情况。图6、图7为阀座密封比压局部云图。

图4　加载后的模型

图5　靠近出口的阀座密封面

图6　密封比压最大点局部云图

图7　密封比压最小点局部云图

由图6、图7可知，密封比压最大点位于靠近内径的边缘处，而密封比压最小点位于密封面中部，且密封比压的分布呈现为靠近内径边缘处最大，靠近外径处略大于中部。此结论也与王伟、俞树荣、张浩强等人的研究结果相符。

4.2密封比压大小的控制

密封比压需达到的要求为

式中qMF——必需的密封比压；

q——实际密封比压；

［q］——密封面材料的许用比压。

在本例中，介质工作压力 p=1.6 MPa，qMF= 1.2p=1.2×1.6=1.92 MPa，［q］=15 MPa（聚四氟乙烯，密封面有滑动）。

密封比压的理论公式[7]为

其中阀座外径 DMW=174 mm，阀座内径DMN=150 mm，由此可以计算出理论密封比压q=5.4 MPa。

当球阀关闭时，靠近进口的球芯外表面在介质工作压力下，会使球芯向靠近出口的阀座进行挤压。当靠近出口的阀座密封面达到密封要求时，靠近进口的阀座密封面密封比压会稍小。本文先对工作压力为1.6 MPa，ΔL为0.5 mm，处于关闭状态的球阀进行有限元计算求解，得到靠近出口的阀座密封比压云图，如图8所示。然后将密封面的每一个节点的应力进行提取并求得平均值，在满足qMF＜q＜［q］的密封要求下，用求得的平均值与密封比压理论值进行比较，通过改变ΔL的大小来调整密封比压，使其在满足密封要求的条件下尽可能接近理论值，最终找到ΔL较为合理的值。

提取密封面节点应力并求得其平均值，结果发现，ΔL为0.5 mm时密封比压偏大。于是将ΔL调整为0.3 mm来缩小范围。最后发现，当ΔL为0.33 mm时，计算出的密封比压与理论值相当接近，计算步骤及结果如表1所示。

图8　靠近出口的阀座密封比压云图

表1　计算步骤及结果

由表1可知，在球阀为关闭状态、工作压力为1.6 MPa、ΔL为 0.33 mm时,密封比压为 5.517 MPa，满足密封要求qMF＜q＜［q］，且非常接近理论值，误差仅为2.12%。经过有限元计算验证，当ΔL为0.33 mm时，靠近进口的阀座密封比压为4.628 MPa，同样满足密封要求。

5　结论

（1）通过有限元分析可知，球阀密封比压分布情况呈现为靠近内径边缘处最大，中部最小，靠近外径处略大于中部。

（2）通过有限元分析可知，公称通径为150 mm、球体半径为135.5 mm的球阀在工作压力为1.6 MPa的条件下，当两阀座端面的轴向位移为0.33 mm时，球阀满足密封要求。

（3）运用有限元方法，找出了两阀座端面的轴向距离与密封比压之间的关系。通过改变两阀座端面的轴向距离，能够有效控制密封比压的大小,并能够准确地找出满足密封要求的ΔL值，使球阀达到密封要求。

[1]杨开华,徐丁.液氨充装球阀泄漏原因分析及处理对策[J].大氮肥，2012（5）：335-336.

[2]潘晓娥，代迅.压缩天然气用气瓶球阀的泄漏原因分析与改进 [J].阀门，2008（4）：42-43.

[3]王伟，闫怀磊，刘洋.基于ANSYS WorkBench的球阀密封面分析 [J].煤矿机械，2009（9）：220-222.

[4]俞树荣，高扬，张希恒.基于有限元的浮动球阀密封比压分析 [J].阀门，2006（2）：25-28.

[5]张浩强，张春良，罗彬彬.基于Pro/E和ANSYS的天然气球阀密封比压有限元分析 [J].机械工程与自动化，2009（4）：67-69.

[6]张洪才.ANSYS 14.0理论解析与工程应用实例 [M].北京:机械工业出版社，2012.

[7]陆培文.阀门设计手册 [M].北京:机械工业出版社, 2002.

Finite Element Analysis of Sealing Property of Ball Valve

He JiashengLin XiaoZhu XiaomingZhang Lin

In consideration of the safe operation,the analysis model of the ball valve with the nominal diameter of 150 mm and the sphere radius of 135.5 mm is established through the finite element method.Meanwhile, the sealing pressure is analyzed.The sealing requirements are satisfied by adjusting the axial distance between the two end faces of the valve seats.

Ball valve；Sealing pressure；Valve seat;Finite element;Stainless steel

TQ 050.2DOI：10.16759/j.cnki.issn.1007-7251.2016.06.009

2015-10-30）

*何家胜，男，1958年生，教授。武汉市，430074。