48BWP9全焊接球阀在复合载荷下失效的有限元模拟分析

2019-09-20莫春立刘春宇

沈阳航空航天大学学报 2019年4期

李健，莫春立，赵磊，刘春宇

(沈阳航空航天大学材料科学与工程学院，沈阳 110136)

阀门是长输油气管道为实现集输、分输和调节输量以及为实现站内循环、设备连通、倒罐、越站和清管器收发等作业所使用的控制部件。阀门既是保证管道运行安全的设备，又是进行管道输送自动控制和运行调度的主要工艺设备。在长输管线阀门中，球阀使用较多。在国家重点管道工程中，主干线截断阀全部采用进口大口径全焊接球阀，要求使用寿命达到30年及以上。为开发满足天然气长输管道关键设备大口径全焊接球阀的国产化项目，采用有限元模拟实际载荷的方法，综合判定阀门在承受管道压缩外载荷的作用下是否满足阀门抗压缩性能的需求[1-4]。外载荷作用下管线球阀压缩试验的目的是考核由于温度变化而引起的轴向载荷和安装载荷对应用中管线球阀的影响，实验过程中以空气为介质，加压至额定压强测试外部和内部的密封性能[5]。王伟[6]、俞树荣[7]、张浩强[8]等人利用有限元法对球阀密封比压的分布情况进行了分析研究，并对阀座的端面来施加外载荷。对于试验球阀施加一定吨位的压缩力，上述试验其结果应力值应在允许的范围内，无外部和内部泄漏，开关的扭矩未发生变化。作为有限元模拟，要通过实际应用中达不到的压缩力来研究球阀管线的失效形式，为生产安全评估提供依据。

随着计算机技术的发展和计算焊接力学理论的日臻成熟,有限元计算方法已经成为预测焊接残余应力的有效工具[9-10]。本项目应用有限元软件对管线球阀压缩过程进行应力、应变及失效过程的分析，所选用的软件为ABAQUS商业软件[11]。

1 模拟焊接过程的实现

在本项目失效分析过程中，由于要考虑焊接残余应力的影响，所以要先计算焊接残余应力，计算焊接残余应力，需要考虑材料随温度变化的物理性能参数。由于材料的比热容c、密度ρ和导热系数k等都是温度的函数，并且高温区特别是接近熔化时材料高温性能参数很难获得，所以高温区部分的性能参数只能通过已知的数据外推得到,高温性能参数如表1所示。模拟过程中袖管和管线的性能参数为室温参数，直接采用苏州纽威阀门有限公司实测的性能参数。

表1 材料的性能参数

焊接热分析时会发生焊缝熔化和凝固，含有相变问题的热分析是一个非线性的瞬态问题:相变问题需要考虑熔融潜热，即在相变过程吸收或释放的热量[12]。

外载荷下失效分析过程要模拟3个主要的过程，一是考虑焊接残余应力，要通过以前局部焊接过程的计算预制在管线整体结构中的焊接残余应力；二是根据实际的实验过程进行管内压力加载分析；三是进行压缩过程的失效分析。

在ABAQUS软件上实现以上计算过程主要有两种方式，即菜单方式和命令流的方式。用命令流可使程序简洁，而用菜单式可以简化编程过程。这里采用命令流的方式进行，计算主要分3部分，前处理、计算和后处理。

1.1 压缩失效模拟过程

压缩模拟过程中模拟步骤的模型分三步，第一步是模拟焊接残余应力；第二步加载内壁压力15 MPa；第三步进行压缩载荷计算，直到管线球阀整体结构出现失效为止。经分析，取阀门与管道的一半模型进行分析，前两步模拟焊接残余应力的加载内压，第三步进行加载。图1是压缩计算过程中的加载模型，在压缩模型一端施加约束，一端进行压缩，压缩值比较大，计算时若管道处出现屈服失效则模拟过程结束，分析此时的阀门应力与变形，以便进行焊接残余应力的内压分析。

图1 压缩图例

1.2 压缩失效过程模拟结果

在压缩失效分析中，对模型的分析分3个步骤进行，第一步，通过实际测量得出在焊缝区最大应力231 MPa，以此结果进行下一步模拟，以增大焊接球阀的安全系数。添加15 MPa的内压后，可以看出，原先在焊缝区的最大残余应力已经不再是最大值，最大值的位置是阀门与法兰相交处的阀门内表面，其应力最大值是262 MPa。此时焊缝处的最大应力为248.2 MPa，通常焊接残余应力在先焊接的位置是残余压应力，而后完成焊接的位置是残余拉应力。因此，焊接残余应力大致上表面是残余拉应力，而先融合的部位是焊接压应力，其分布在焊缝局部位置保持平衡[13]，而施加15 Mpa的内压后焊缝部位产生应力会与原来的应力进行叠加，造成应力的重新分布，在焊缝位置引起应力的新平衡，平衡的结果可与原来焊接残余应力相互抵消，因此导致残余应力变小。但实际上，平衡的结果还会导致与原来同向的焊接残余应力增大。第三步，分别施加沿管线钢轴线的压缩位移，直到阀体失效如图2所示。图2是压缩外载荷失效过程的结果，从图2中可以看出，管道几乎发生整体失效，而阀门结构依然未达到屈服，最先达到屈服的位置是管道与袖管相接处。

从以上模拟结果可以看出，在压缩加载过程中，管道都发生了屈服，而阀体没有发生结构性失稳。下面具体分析失效过程中阀体的受力和变形，确定其安全性。

图2 施加压缩载荷失效位置

2 阀门失效过程中的应力分析

2.1 焊接残余应力分析

对于48BWP9阀门来说，通过分析焊接接头的硬度可以发现，焊接接头的硬度要高于母材的硬度，测量结果表明，接头的最大硬度在溶合线与热影响区约0.5～2 mm宽的位置。每个接头都可见到两处高硬度区，在约4 mm处是后道焊缝在覆盖前道焊缝时所形成的HAZ高硬度区；在约6～9 mm处则是母材HAZ的高硬度区，即API1104《管道与相关设施的焊接》标准[14]附录A中要求HAZ试样的预制裂纹尖端必须落在的最大硬度区。在阀门承受外载荷时，必然是母材部分先屈服然后当母材位置也都达到屈服应力后，焊缝才会屈服。而231 MPa的残余应力未达到材料屈服应力，其加载过程中仍然有相当大的受力面。因此局部高的焊接残余应力对加载过程受力无直接影响。

焊接残余应力属于热应力，其校核根据ASEM VIII[15]中的相关规定，其应力以最大应力点各应力分量和<3进行分析。据ASEM手册查得，其值是LF2钢=137 MPa，3=413 MPa。经过计算焊接焊缝应力最大值231 MPa，其应力最大处按照剪应力理论计算的最大值线性化以后的应力为289 MPa，小于峰值应力强度极限值413 MPa，因此认为焊接残余应力处于安全水平的。

2.2 压缩载荷下管道失效时阀门应力分析

第二步加压后，应力最大的点在阀门与法兰相交处的阀门内表面，其米赛斯应力最大值是262 MPa。应用等效线性法[16]对这个部位进行分析，在软件上设置路径起始点和结束点，从而确定等效应力线。

软件在进行线性处理时，自动在线上差值40点，进行各个点在6个应力分量上的计算，再求出每个分量的3个主应力，最后计算出薄膜应力值Membrane，一次薄膜 + 一次弯曲应力值和峰值应力Membrane plus Bending。再从计算所得的应力中对应力进行识别，根据结构的不连续性，在Membrane中识别的应力是一次局部薄膜应力值PL。

PL=188 MPa <1.5Sm=205 MPa；

弯曲应力也是由于结构不连续引起的，从Membrane plus Bending应力中识别其应力构成是Pb+PL+Q

Pb+PL+Q=292 MPa <3Sm=411 MPa

由以上分析可知，加压后的阀门最大应力虽然达到262 MPa，根据ASME VIII-2中的相关规定，其各项应力值小于各自的应力强度。

图3是阀门压缩失效时的应力分布，可以看出，最大拉应力位置仍然是法兰与阀体相贯线处，如图3b处的C点，这是阀体内部在压应力下的应力发生变化，沿阀体圆周分布向阀体中部有一带状区域，图示D点，超过137 MPa的设计应力强度，因此，依据前述的等效线性法，在C、D两点设置等效应力线，进行所在的最危险截面的应力校核。