上装式超低温球阀启闭过程应力分析

王 寅 韩正海 江 鑫

（江苏苏盐阀门机械有限公司，江苏 盐城224500）

0 引言

球阀是石油、天然气开发及输运过程中必不可缺的设备，主要用于控制输送介质的通断。球阀是近年来发展最快的阀门之一，具有结构简单、密封性好、方便维修、可靠性高等优点[1，2]。

在现场使用过程中，球阀的安全性和可靠性是现场工程技术人员重点关注的问题。此外，设计人员在确保球阀的服役安全前提下，还需要从经济性角度衡量球阀设计的可行性[3]。为保证球阀设计的安全性，要求球阀的各部件在介质压裂作用下具备足够的强度以承受输送介质压力诱发的高应力，避免球阀在高压作用下发生密封失效、开裂或爆裂[4]。球阀在开启或关闭状态下，阀体及阀芯的应力保持不变。但在球阀关闭的过程中，随着阀芯的转动，球阀的开度逐渐减小，阀体及阀芯表面的压力不断变化，其应力亦随之波动。鉴于上述情况，为了保证设计的安全性，需要明确球阀启闭过程中阀体及阀芯上的应力变化规律，保证足够的安全系数。

本文将聚焦于球阀启闭过程，以上装式LNG（天然气）超低温球阀为对象，建立不同阀芯开度的有限元模型，采用线弹性有限元分析方法，分析不同阀芯开度条件下的球阀应力分布，建立球阀开度与球阀最大应力之间的规律，以期为上装式LNG超低温球阀的设计和安全性评价提供参考。

1 建立模型

1.1 球阀的工作参数及材料力学性能

上装式超低温球阀的实验压力为37.3 MPa，输送的介质为天然气（LNG）。工作参数如表1所示。

表1 LNG上装式超低温球阀的性能参数

上装式超低温球阀阀体应用的材料为ASTMA351 CF8M，屈服强度为205 MPa。固定轴、阀座、阀芯等应用材料为ASTMA182FXM-19，屈服强度为380 MPa。材料参数如表2。

表2 LNG上装式超低温球阀的性能参数

1.2 实体模型

上装式超低温球阀阀体结构为一体结构，阀腔通道的应力对阀盖的密封影响小，相对于三体式球阀，外漏点少，更加经济[5]。上装式超低温球阀主要由阀体、阀座、阀芯、阀杆、隔热板、阀盖等组成。图1为上装式超低温球阀的剖面图。

图1 上装式超低温球阀三维模型

2 有限元模型

2.1 几何模型

上装式超低温球阀各部件的应力会随着关闭过程中阀芯的转动发生变化。球阀的开启或关闭过程主要体现为阀芯的转动角度不同，当完全开启时，阀芯转动角度为0°，当完全关闭时，阀芯转动角度为90°。由图1可知，球阀的阀杆顺时针或逆时针方向转动，均可以实现球阀的开启和关闭过程，区别在于球阀流道内介质流动方向。因此，以球开启过程时阀芯相对于阀体流道横截面为0°，分别建立阀芯相对开度为0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°的模型。

将上装式超低温球阀的完整几何模型导入有限元软件中，并对比模型，确定模型的完整性。图2所示为阀芯开度为0°的导入模型。

图2 上装式超低温球阀网格模型

2.2 网格划分

由于上装式超低温球阀结构复杂，使用6面体单元划分将使难度大大增加。所以采用适应性更强的4面体单元对几何模型划分网格，网格尺寸为15 mm。球阀网格模型的由176 330个单元组成，包含325 285个节点。

2.3 载荷与边界条件

上装式超低温球阀在试验工况条件下介质压力最高，且该试验工况常用于判断球阀设计的安全性，因此后续分析过程中以球阀的试验工况对有限元模型施加载荷。上装式超低温球阀内腔介质为LNG，试验压力为37.3 MPa，所以对内腔表面施加压力37.3 MPa，其他外表面为自由面。

边界条件：由于上装式超低温球阀在试验和服役工况下通过两端的法兰螺栓连接与其他输送管道连接，球阀的两侧法兰左右两侧的自由度被约束，所以在有限元软件中将入口及出口法兰端面上的所有自由度设置为0。

3 结果与分析

根据上述模型及分析条件，进行模拟分析，得到上装式球阀阀芯不同开度下的应力云图，如图3所示。

从图3a、b可以看出，上装式超低温球阀在启闭过程中，随着阀芯开度的变化，球阀的阀体流道、阀芯与阀座的接触位置的应力较其它区域高。将球阀在不同开度条件下的应力最大值及应力最大点的位置归纳于表3中。

图3 阀芯转动过程中应力分布

从表3中可知，除阀芯开度0°外，阀芯开度在15°～90°变化过程中，球阀的最大应力均位于阀芯与左、右两侧阀座接触面上。最大应力点位于上述区域的主要原因是该区域的几何结构存在不连续过渡，在LNG高压力作用下产生了应力集中现象。

表3 阀芯转动不同角度下对应的最大应力

根据表2可知，上装式超低温球阀内部球体、上下油阀等组件所承受最大压力为380 MPa。对比表3，球阀转动过程中只有开度60°超过最大屈服强度，且最大应力远远高于其他位置的最大应力，判断是有限元模型的网格畸变造成的数值奇异。其他不同开度下的最大应力皆低于材料屈服强度，满足设计要求。

阀芯转动的不同角度下对应的最大应力。由图4可知，上装式超低温球阀在启闭过程中，随着阀芯的转动，阀芯与阀座的介质压力作用面积发生变化，阀芯及阀座接触区域的最大等效应力呈现出先增大后减小的规律。当阀芯开度为90°时，阀体内阀芯与阀座接触位置的最大等效应力与阀芯开度为0°时的最大等效应力几乎相同。

图4 阀芯的转动角度与球阀最大应力之间对的关系

阀芯转动过程中，球阀的最小应力均发生在开启和关闭状态，数值上约为143 MPa，低于材料的屈服强度，安全系数约为2.6，表明球阀在开启和关闭状态下的满足设计要求。此外阀芯在转动过程中，球阀的应力会发生较大波动。需要注意，转动过程中的内部零件的应力过高，应避免阀芯及阀座在转动过程中因过高的应力发生塑性屈服而导致密封面失效进而发生泄漏。

4 结论

通过线弹性有限元分析方法，建立了上装式超低温球阀启闭过程不同开度条件下的有限元模型，得到阀芯不同开度下的应力变化规律，所得结论如下：

（1）上装式超低温球阀在关闭过程中，随着阀芯的转动，球阀的最大应力主要出现在阀芯与阀座的接触位置。所以应保证阀芯与阀座材料具有足够的强度，防止在接触部分因应力过大产生塑性变形而导致密封面失效。

（2）上装式超低温球阀在关闭过程中最大等效应力随着阀芯的转动呈周期性变化，呈现出先增大后减小的规律。

（3）阀芯转动过程中，球阀开启和关闭状态下的最大应力几乎相同，且在转动过程中，开启和关闭状态下的最大等效应力最小。

（4）上装式超低温球阀在球体转动过程中的应力有较大变化，设计过程中应避免阀芯转动过程中阀芯及阀座的应力超过材料的屈服强度。