埋地加长杆式闸阀的抗震分析

刘建峰，张绍华，陶国庆，叶志

（合肥通用机械研究院有限公司，安徽 合肥 230031）

埋地闸阀采用细长圆筒体加长杆式结构设计，阀门直接埋入地下，为土砂等介质所包围，抗震问题较为复杂。如何保证运行中的埋地闸阀在可能发生的地震等组合载荷下的安全性，是工程设计和管理部门需要解决的问题。关于阀门抗震性能的研究工作已有一些成果，但对埋地阀门的抗震性能研究较少，本文旨在对埋地加长杆式闸阀的抗震性能进行分析，要求在发生极限安全地震时能够保持压力边界完整。需保持压力边界完整的零件包括阀体、阀盖、双头螺柱和六角螺母。因此，在进行抗震应力分析时，主要对承压部件即阀体、阀盖和双头螺柱进行应力评定。

1 分析及评定方法

目前，抗震分析的方法主要有3 种：等效静力法、响应谱法和时间历程法。其中，时间历程法的计算结果最为准确，但比较复杂，计算时间长；而等效静力法与响应谱法相对简单，同时也能较为准确地反映结构的响应特性。当结构的第一阶固有频率大于33Hz 时，可采用等效静力法。

为保证阀门在工作条件下的安全性、可靠性及压力边界的完整性，地震条件下的力计算按D 级使用荷载进行分析。参照NB/T 20010.10—2010、GB 50276—1997 及ASME BPVC III NF 分卷的相关规定，对埋地闸阀进行抗震分析，对主要部件进行应力评定及强度校核。

2 力学模型

本文研究的埋地加长杆式闸阀规格为NPS12 CLASS150，主要由阀体、阀盖、闸板、阀座、阀杆、支架、加长筒、加长传动轴和手动齿轮驱动装置等组成。

闸阀设计压力为2.0MPa，设计温度为25℃。闸阀总高5768mm，总质量592kg。闸阀主要零部件采用ASTM 材料标准，材料及特性参数如表1 所示。

表1 主要部件材料及特性参数

本分析采用SolidWorks 建模，其三维几何实体模型如图1 所示。

采用ANSYS 软件对埋地加长筒闸阀的频率特性及抗震性能进行模拟分析。

图1 闸阀模型剖视图

3 模态分析

3.1 分析模型

模态分析的目的是通过计算闸阀和驱动装置整体装配体的基频来确定闸阀整机的刚柔性。

埋地闸阀采用细长圆筒体加长杆式结构设计，加长筒高达4566.5mm，由于顶部承载手动齿轮驱动装置，造成垂直于加长筒方向的结构刚性较差，使得整阀的基频降低，接近地震的激励频率，在地震作用下产生的惯性力对闸阀的影响很大，容易造成系统破坏。

闸阀有限元模型共包含443090 个节点，207780 个单元。在闸阀阀体端法兰及阀门与地基面接合处施加全约束。

3.2 计算结果

振动模态采用Ansys 软件Modal 模块进行频率分析，提取闸阀的前六阶固有频率，其计算结果如表2所示。

闸阀前二阶模态振型如图2 所示。由表及图可看出，闸阀整体模态振型的变形主要集中在加长筒，结构最低固有频率33.1Hz，大于最高截断频率33Hz，认为是刚性结构，可采用等效静力法进行随后的抗震应力分析。

表2 闸阀模态有限元计算结果

图2 前2 阶振型图

4 抗震分析

4.1 模型及加载

实体模型导入Ansys 建立闸阀有限元模型，对闸阀各部件结构进行网格划分。这里主要对承压边界进行抗震应力分析，即阀体、阀盖和中法兰螺栓组。另外在SSE 载荷下，支架及加长筒的影响不可忽略，应加入进行整体分析。

闸阀整机有限元模型如图3 所示，共包含417745 个节点，262015 个单元。

图3 闸阀抗震分析有限元模型

对有限元模型施加边界条件和载荷。在闸阀阀体端法兰及阀门与地基面接合处施加全约束，在阀体、阀盖内腔表面施加均布压力2.4MPa，中法兰螺栓组各螺栓施加预紧力15000N，整阀施加引力载荷（包括地震加速度和自重），加速度峰值按照要求确定，2 个水平方向作用4g 等效地震加速度值，垂直方向作用5g（即4g+1g 自重）加速度值。

4.2 承压边界壳体评定

在内压、自重、螺栓预紧力和地震载荷组合作用下，闸阀有限元计算得到Tresca 应力如图4 所示。

图4 Tresca 应力云图

从应力云图可看出，应力较大的区域主要分布在阀体纵向加强筋的圆角、阀盖颈部和加强筋、阀体阀盖外壳的相贯部分和阀盖侧面中心。

对内压、自重、螺栓预紧力和地震载荷组合计算工况，采用以下应力评定规则：

Pm或PL≤1.0S

PL（或 Pm）+PB≤1.5S

PL+PB+Q ≤3S

其中：Pm为总体薄膜应力；PL为局部薄膜应力；PB为一次弯曲应力；Q 为二次应力；S 为最大许用应力值。因此，承压部件在地震工况下的应力限值如下所示：

Pm或PL≤150 MPa

PL（或 Pm）+PB≤225 MPa

PL+PB+Q ≤450 MPa

本文对应力值较小且明显能满足强度要求的部件及区域不做评定，仅在高应力区的薄弱位置，选取2 条应力评定线，其中，应力评定线A—A 位于阀体纵向加强筋的圆角上，应力评定线B—B 位于阀盖外壳顶面与侧面的相贯线处。

各应力评定线示意图如图5 所示，评定结果如图6 所示。承压边界壳体区域的应力评定结果见表3。

图5 应力评定线

由图6 及表3 可看出，各计算值均小于应力限值，因此评定结果合格，相关部件强度满足要求。

4.3 中法兰连接螺栓应力评定

图6 应力线性化结果图

表3 承压边界壳体应力评定

中法兰螺栓材料为ASTM A320 L7M，设计温度下抗拉强度Su为690MPa，屈服强度Sy为550MPa，规格为M20，数量16。静力分析得到中法兰螺栓Tresca 应力云图如图7 所示。

图7 中法兰螺栓组Tresca 应力云图

从图中可看出，螺栓组Tresca 应力最大为63.4MPa，低于螺栓许用应力138MPa。按相关规范要求，在D 级使用载荷下螺栓平均拉应力不大于0.7Su和Sy中的较小值，评定结果合格，部件强度满足要求。

4.4 其他部件应力评定

支架、加长筒、阀盖与支架及支架与加长筒的连接螺栓均属于非承压部件。螺栓材料为ASTM A320 L7M，属于铁素体钢，设计温度下材料许用应力S 为138MPa，抗拉强度Su为690MPa，屈服强度Sy为550MPa。依据ASME BPVC III NF分卷规定，此类连接螺栓应符合：

式中，ft为计算拉应力，fv为计算剪应力，Ftb为许用拉应力，Fvb为许用剪应力。

在载荷组合作用下，两螺栓组的拉应力和剪应力计算结果及其应力评定如表4 所示。由表可看出，两螺栓组的计算应力值均小于对应的应力限值，评定结果合格，部件强度满足要求。

表4 非承压部位连接螺栓应力评定

另外，计算得到支架及加长筒的Tresca 应力分别为37.8MPa 和71.1MPa，小于许用应力138MPa，评定结果合格，部件强度满足要求。

5 结语

本文以埋地加长杆式闸阀为对象，建立模态分析和抗震分析有限元模型，进行闸阀系统振动特性分析、内压及地震等载荷组合作用下的应力计算和评定，考察此闸阀的抗震性能。

（1）闸阀整机的第1阶固有频率大于33Hz，可视为刚性阀门，采用等效静力法进行抗震分析是可行的。

（2）埋地闸阀整体模态振型的变形主要集中在加长筒。

（3）由于加长筒高度较大，柔性大，致使整机第1 阶固有频率接近截断频率，后期还应对结构进行优化，如圆筒中部增设纵筋、筒体设置加强圈等，以进一步增强刚性。

（4）在内压、自重、螺栓预紧力和地震载荷组合作用下，对闸阀进行应力计算，并根据相关规范进行分析和评定，分析结果表明闸阀主要部件薄弱位置的应力均小于许用值，满足强度要求。