翼型由壬接头阀体壁厚设计讨论及强度分析

耿 博， 刘 倩

（艾默生过程管理（天津）阀门有限公司， 天津 301700）

引言

阀体壁厚是控制阀设计考虑的诸多关键要素之一。各设计标准对控制阀壁厚要求和强度校核方法也作出了明确规定，例如，美国工程师协会（American Society of Mechanical Engineers）标准B16.34[1]是控制阀行业应用最为广泛的设计标准之一，其根据控制阀的口径和磅级，对阀体的最小壁厚作出了详细规定。此外，美国工程师协会锅炉与压力容器标准（ASME BPVC）还提供了不同的方法，用以验证阀体壁厚强度。压力管道标准（ASME B31.3）也提供了计算压力管道壁厚的方法。

翼型由壬接头（Swing Union Connection），又称锤击由壬接头（Hammer Union Connection），是一种快速拆装接头，广泛应用于油气管道上。由于其便于拆装，起初被大量用于临时装置上。目前翼型由壬接头也被越来越多地应用于固定装置上，如连接控制阀门和管道等。

翼型由壬接头结构如图1 所示，其紧固螺母部分螺纹为梯形螺纹，便于安装拆卸，节省安装空间，并且可以提供足够的预紧力来保证密封和紧固连接。翼型由壬接头的型号决定了其压力磅级。例如，型号为Fig.1502 翼型由壬接头的冷工作压为15 000 psi，可用的公称尺寸为1”到4”。

图1 翼型由壬接头结构

当翼型由壬接头被直接加工于阀体上时，接口作为阀体的一部分，对于其所在区域的局部壁厚，也需要基于阀体最小壁厚的要求进行校核验证。

1 阀体形状结构

本文所分析的阀体公称尺寸为NPS 2，压力磅级为API 10 000 psi，连接端为翼型由壬接头，并与阀体和阀盖分别连为一体，尺寸为2”,型号为Fig.1502。其外形结构如图2 所示。

图2 带翼型由壬接头的阀体外观

2 阀体壁厚设计验证

2.1 ASME B16.34 壁厚要求

ASME B16.34 是应用最为广泛的控制阀标准之一。故本文首先根据ASME B16.34，对该阀体最小壁厚的设计进行了验证。该阀体的结构及主要尺寸如图3 所示。

由ASME B16.34，6.1.2（a）段和图3 所示阀体进出口及腔体尺寸可以确定，该阀体内径为47.8×0.9=43.1 mm。

图3 阀体结构（单位：mm）

阀体压力磅级为API 10 000 psi，根据B16.34 表VII-2 换算得其压力磅级为Class 4000。根据B16.34 表3A，通过线性插值法计算得最小壁厚为tm=31.6 mm。

由图3 可知，由于该阀体使用了翼型由壬接口，所以阀体端口处及其过渡部分外径尺寸取决于标准翼型由壬接口尺寸，其进出口部分壁厚为20.5 mm和24 mm，均小于ASME B16.34 所要求的最小壁厚。故该阀体接口部分难以通过增加壁厚满足B16.34的要求。因此，为了进一步验证阀体强度，本文寻求其他设计标准和方法，对阀体壁厚进行校核计算。

2.2 ASME BPVC 公式计算壁厚设计法

ASME BPVC 第八卷第二章第四节4.3.3 中，规定了圆筒状承压件壁厚计算公式[2]，具体如下：

式中：D 为承压件内腔直径；P 为设计压力；S 为承压件材料许用应力；E 为铸造质量系数。

由于该阀体和阀盖结构非常接近圆筒形状，故可以根据式（1）进行最小壁厚计算，验证其阀体壁厚。

根据该阀体流道形状，阀体的不同区域具有不同内径。根据不同的内径，对阀体不同区域分别进行计算，阀体最小壁厚计算结果见表1。

表1 壁厚设计计算结果

美国石油协会（American Petroleum Institute）标准中对承压件设计方法也作了相关的规定。API 6A（2010）4.3.3.2 设计方法中规定：ASME BPVC 第八卷第二章的公式计算壁厚设计法可以用来对承压件进行设计计算。因此可以认为，表1 的计算结果代表了ASME BPVC 和API 6A 两种设计标准所规定的公式计算方法的阀体最小壁厚设计计算结果。

2.3 ASME B31.3 公式计算壁厚设计法

ASME B31.3 压力管道标准中304.1.2（a）规定了压力管道壁厚计算公式[3]，如下：

式中：d 为管道内腔直径；P 为设计压力；S 为管道材料最大许用应力；E 为质量系数；W 为焊接系数；c为加工余量；Y 为材料系数。

由该阀体和阀盖结构图可以看出，该阀体结构非常接近直管道形状，因此根据标准ASME B31.3的管道最小壁厚公式对最小壁厚进行了计算。

表2 中列出了根据公式计算所得的阀体设计最小壁厚结果。

表2 B31.3 壁厚计算结果

2.4 ASME BPVC 仿真分析壁厚设计法

ASME BPVC 第八卷第二章第五节规定了计算机仿真分析法，用以对承压件阀体进行强度分析。

本文根据BPVC 的规定，对该阀体进行了仿真分析。仿真分析中设置温度为21 ℃和压力载荷为68.9 MPa。仿真结果如图4 和表3 所示。

图4 仿真结果应力（Pa）云图

表3 不同标准应力结果

由图4 和表3 可知，该阀体可以满足ASME BPVC 第八卷第二章第五节计算机仿真分析法所规定的强度要求。

3 讨论

本文用三种标准规定的最小壁厚计算方法对翼型由壬接头阀体的最小壁厚进行了计算，计算结果见表4。

表4 不同标准最小壁厚计算结果

通过表4 对比不同计算方法所得的最小壁厚结果可以发现，ASME B16.34 标准对阀体最小壁厚的规定并没有针对阀体的不同形状进行区分，并且相较于BPVC 和B31.3 标准的公式计算所得最小壁厚更加保守。

BPVC 和B31.3 标准在计算最小壁厚时，根据阀体内径对阀体不同的部位进行了区分。BPVC 的公式是针对圆筒状承压件，B31.3 是针对承压管道，根据两标准所规定公式计算所得最小壁厚结果较接近。

为了进一步校核阀体强度，根据阀体设计的功能要求，在计算结果的基础上对阀体壁厚进行了调整，并根据ASME BPVC 仿真分析法对阀体壁厚设计进行了仿真计算。结果显示，该阀体结构完全可以满足BPVC 所规定的仿真分析法对阀体壁厚强度的要求。

因此，ASME B16.34 对阀体最小壁厚的要求更为保守。在阀体设计中，针对阀体的具体形状，结合ASME BPVC 和ASME B31.3 对阀体最小壁厚进行计算，并利用计算机仿真分析法对设计进行验证，也可以作为阀体壁厚校核的一个方法。