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管线球阀阀座失稳与应变设计

2020-11-23杨熙翀李永喜李随义

装备维修技术 2020年4期
关键词:筒体圆筒密封

杨熙翀 李永喜 李随义

摘  要:在大型管线球阀国产化的一次试验中,发现非正常泄漏。经检查,阀座内径发生残余变形,阀座在外压作用下失稳。本文对受外压阀座进行应力、应变分析,并提出阀座强度、应变的设计、计算方法。

关键字:阀座,应变设计,稳定性

1.阀座失稳的发生

管线球阀的阀座可视为一个薄壁圆筒,把阀座作为一个阀门内件,通常不考虑阀座的失稳。但对于一个大口径高压球阀的阀座,按API-6D进行DIB-I试验时,阀座是一个受外压的薄壁圆筒,可能发生失稳,需进行应力、应变分析和计算。

Class900,NPS56的管线球阀,在一次DIB-I的试验时,二侧密封座发生大量泄漏,阀座发生残余变形,内径1360mm,缩小至1358mm。证实阀座失稳。

2.应力分析

典型的阀座结构如图1所示。

在DBB功能试验时,金属阀座1处于内压的作用下,如图2(a)所示。在DIB-I功能试验时,阀座处于外压的作用,如图2(b)所示。在液压强度试验时,阀座处于,和两端压力的共同作用下。如图2(c)所示。

这样,我们可以把阀座视为一个圆筒,受内压,外压,两端压力的作用。假设是一个无限长的筒体,则。令圆筒内半径为a,外半径为b,显然圆筒上任何一点上的应力分量是半径r的函数。筒状阀座是一个轴对称零件,一点上的应力分量用极坐标表示为:环向应力,径向应力,轴向应力。因为我们假定是无限长的筒体,二端压力,所以。作二向应力状态考虑。如图3(a)所示。

3.应变分析

在求得应力分量,之后,根据公式(3)可求得相应的径向应变,环向应变。

直径变化量直接影响密封圈的初始压缩量,可能导致泄漏。

4.外壓壳体的工程计算

在工程上受外压壳体的强度,即壁厚的计算可按照ASMEⅧ-(1)UG28“外压壳体和管子的壁厚”进行。计算的目的,是针对某已知壁厚的筒体材料及其物性参数求得一个临界外压〔P〕值。

临界外压〔P〕与结构参数L/D,D/t以及材料的屈服极限有关。D为筒体内径,t为壁厚,L为筒体长度。

第一步,按L/D,D/t在ASMEⅡ-D篇第3分篇中求得参数A。

第二步,根据求得的参数A,以及材料和工作温度在ASMEⅡD篇3分篇相应材料的线算图上求得参数B。

第三步,按下列公式计算临界工作外压〔P〕

5.结论

管线球阀对于要求DIB-I功能的阀座,需要进行外压下阀座的强度,变形和失稳计算。尤其是高压,大口径的金属阀座。在密封设计时,阀座的径向变形增大了密封间隙,可能会导致密封失效,应予注意。

参考文献

〔1〕徐芝纶 ,弹性力学,人民教育出版社1982,P.85

〔2〕范钦珊,压力容器的应力分析与强度设计,原子能出版社1979,P.47-P.51

〔3〕ASME 锅炉压力容器规范第Ⅷ卷第一册压力容器建造规则,2010版

〔4〕ASME 锅炉压力容器规范第Ⅱ卷:材料,D篇性能,2010版

作者简介

杨熙翀(1984 年3月22日),汉族,男,本科,甘肃平凉人,工程师,浙江永盛科技股份有限公司,从事阀门设计与研究。邮编:311400

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