行业注册自动送38元体验金

您当前的位置: > 注册自动送38元体验金资讯- 行业注册自动送38元体验金
进口高温高压球阀球体的热-结构耦合分析

摘 要:根据理论设计球体半径,采用SolidWorks建立球体的三维模型,应用有限元分析软件Workbench对球体分别进行结构分析和热-结构耦合分析。通过对比分析,对不符合强度要求的球体进行设计改进。结果表明:球体的应力是热载荷和结构载荷共同作用的结果,热-结构耦合分析为球体的可靠性设计提供了理论分析依据。

关键字:球阀 球体 热-结构耦合分析


球阀是一种以球体作为启闭件,可借助手柄或其它驱动装置驱动球体旋转90°,使球体通孔与阀体通道中心线重合或垂直,实现全开或全关动作,常用的球阀从结构上可分为浮动球球阀与固定球球阀两种。球阀的使用非常广泛,在石油天然气、煤化工行业、核工业等方面都有广泛的应用。球阀结构简单,密封性好,能实现快速启闭。球体作为球阀主要的承压件,对整个球阀的使用性能是至关重要的,在生产实践中,球阀球体强度的校核都靠经验或者分析软件进行,对于高温高压球阀,高温产生的热应力对球体材料的性能具有一定的影响,单纯结构分析没有考虑高温对球体的影响是有缺陷的。笔者在有限元结构分析的基础上,应用Workbench进行热-结构耦合分析,对浙江宣达集团某型号900lb球阀的球体在400℃、8MPa的压力下进行全关闭状态下的结构分析和热-结构耦合分析,为球体的可靠性设计提供理论依据。

1 球体半径的确定

根据密封圈材料的许用比压,按密封面的必须比压计算公式,初步确定密封面的宽度bM

    (1)

式中:bM为密封面的宽度,mm;qMF为密封面的必须比压;c为与密封面材料有关的因数,对于铬基硬质合金,c=3.5;K为在给定密封的条件下,考虑介质压力对比压值的影响因数,对于铬基硬质合金,K=0.1;p为公称压力,MPa。

阀座密封圈的材料为铬基硬质合金,许用比压为[q]=150MPa。将以上数值代入式(1)中,运算得:

bM=0.000004p2+0.0003p+0.0054    (2)

不管球阀处于开启状态还是关闭状态,密封面与球体接触面的宽度都不能小于bM。根据工况,球体强度如需加大,则可适当加大球体直径。最终设计球体直径为247mm。因不考虑泄压,球阀在关闭时,球体还承受温度和压力的作用,所以只对球体的关闭状态进行结构和热-结构耦合分析。

2 球体有限元模型的建立

固定球球阀体,由两端与球体连接在一起的固定轴承与阀体上的滑动轴承支承,球阀关闭时,在介质压力的作用下,球体不会产生位移。应用SolidWorks软件建立球体的三维模型,导入有限元分析软件Workbench中,球体材料选用锻造304不锈钢,材料属性见表1,采用自动划分网格,共划分网格节点数为17450个,网格中的单元数为9382个,三维模型如图1所示。

▲图1球体三维图

表1 球体材料属性

3 施加约束和载荷

根据有限元分析的要求,必须对有限元模型进行约束,才可使分析具有意义。无论是结构分析还是热-结构耦合分析,对于球体,在介质的压力作用下,阀座密封圈产生位移,在弹簧预紧力作用下,密封圈始终压在球体上,从而保证球阀的密封性能。球阀处于关闭状态时,高温介质将温度和压力直接作用于球体表面,按球体所能承受的最高温度400℃和工作压力8MPa,对球体进行关闭状态的热-结构耦合分析和常温下的结构分析。

4 分析求解及结果分析

(1)通过稳态热分析模块,得出球体的稳态温度场分布如图2所示。

▲图2 球体温度云图

(2)对球体进行结构分析,在球阀全关闭状态下,对球体施加8MPa的压力,所得应力如图3所示。

▲图3 球体结构分析应力图

(3)对球体进行热-结构耦合分析,将热分析所得的温度场加载到球体结构分析中,并且对球体表面施加8MPa的压力,分析得出应力如图4所示。

▲图4 热-结构耦合分析应力图

由稳态热分析结果可知,介质与球体表面直接接触的位置,球体温度分布如图2所示,球体温度最高达到400℃,球体最低温度为204.25℃。由球体结构分析可知,球体的应力分布如图3所示,球阀处于全关闭状态时,球体在常温下受到8MPa的压力时最大应力为89.09MPa,最小应力为0.051722MPa,球体材料在常温下的许用应力为137MPa,结构分析得出球体的最大应力小于材料的许用应力,球体强度符合要求。当温度场作为载荷加载到球体上作结构分析时,在热载荷和结构载荷的共同作用下,球阀处于全关闭状态时,球体的应力分布如图4所示,最大应力出现在球体通道的侧壁处和与阀杆接触处,最大应力为130.25MPa,最小应力为0.26672MPa,球体材料在400℃时的许用应力为107MPa,球体的最大应力超过材料在400℃的许用应力,球体的强度不符合要求。

对球体尺寸进行设计改进,加大球体的直径至260mm,此时对球体进行热-结构耦合分析,得出球体的最大应力为89.641MPa,最小应力为0.64881MPa,球体最大应力小于材料的许用应力,强度符合要求。通过以上两种不同边界条件的分析得出,热载荷作用下的最大应力占总应力的31.6%。由此可得,若只考虑单纯的结构分析,对于球体的结构设计并不可靠。

5 总结

建立球体的三维模型,应用有限元软件分别对球体进行结构分析和热-结构耦合分析,得出球体稳态热分析下的温度分布图、结构分析下的应力图,以及在热载荷和结构载荷共同作用下的球体的应力云图。结果表明,球体的应力是由结构载荷和热载荷共同作用下产生的,对球体进行热-结构耦合分析,可确定球体强度。单纯进行结构分析,对于球体强度的校核并不精确,温度载荷作为影响球体应力的重要因素,不能忽略。因此,对球体的热-结构耦合分析,能为球体的可靠性设计提供理论分析依据。

 
 上一条:进口气动蝶阀执行器双作用与单作用有什么区别?     下一条:减温水专用调节阀的设计