球閥密封性的有限元分析

何家勝林驍　朱曉明　張林

（武漢工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院）?。ㄖ惺錆h分公司)

?

球閥密封性的有限元分析

何家勝*林驍朱曉明張林

（武漢工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院）（中石化武漢分公司)

為保證球閥的安全運(yùn)行，運(yùn)用有限元方法建立了公稱通徑為150 mm、球體半徑為135.5 mm的球閥分析模型，并對(duì)球閥密封比壓進(jìn)行了分析。通過(guò)調(diào)整兩閥座端面的軸向距離來(lái)控制密封比壓，從而使球閥達(dá)到密封要求。

球閥 密封比壓 閥座 有限元 不銹鋼

0　引言

云南天安化工有限公司使用的球閥曾頻繁發(fā)生泄漏[1]；壓縮天然氣 （CNG）長(zhǎng)管拖車上的球閥在使用2～3個(gè)月后往往也出現(xiàn)泄漏情況[2]。這些球閥泄漏事故不但會(huì)造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，更危及到人們的生命安全，因此對(duì)球閥密封性進(jìn)行分析有著重要的意義。

工程上，通常通過(guò)調(diào)整球閥殼體法蘭的密封墊片厚度來(lái)控制螺栓預(yù)緊力，進(jìn)而控制密封比壓。然而這只能把密封比壓控制在一個(gè)大致范圍，并不能達(dá)到準(zhǔn)確控制。王偉[3]、俞樹(shù)榮[4]、張浩強(qiáng)[5]等人曾運(yùn)用有限元方法對(duì)球閥密封比壓的分布情況進(jìn)行分析研究，且都是選擇對(duì)閥座端面施加力載荷。實(shí)際上力載荷的大小在工程中往往難以準(zhǔn)確控制。因此，本文選擇更易準(zhǔn)確控制的位移載荷。經(jīng)過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，控制兩閥座端面的軸向距離就能有效地控制密封比壓。

1　研究思路及原理

球芯和閥座構(gòu)成球閥的密封結(jié)構(gòu)。浮動(dòng)球閥密封結(jié)構(gòu)如圖1所示，球閥兩閥座端面在軸向的距離為L(zhǎng)(本文中L為248 mm)，球閥殼體在螺栓預(yù)緊力下對(duì)閥座進(jìn)行擠壓，兩閥座端面的軸向距離縮短2ΔL（閥座相對(duì)于球芯對(duì)稱），閥座產(chǎn)生形變從而達(dá)到密封。工程上螺栓預(yù)緊力往往是通過(guò)法蘭密封墊片的厚度來(lái)控制的，而密封墊片的厚度并無(wú)固定標(biāo)準(zhǔn)，通常都是各廠家依據(jù)經(jīng)驗(yàn)方法自己確定，因此實(shí)際密封比壓相對(duì)于設(shè)計(jì)要求常常會(huì)過(guò)大或者過(guò)小，并不能保證滿足密封要求。本文運(yùn)用有限元方法進(jìn)行模擬計(jì)算，可以調(diào)整ΔL的大小，并找到兩閥座端面的軸向距離與密封比壓之間的關(guān)系。

圖1　浮動(dòng)球閥密封結(jié)構(gòu)

2　球芯實(shí)體模型的建立

本文運(yùn)用ANSYS軟件建立天然氣球閥密封的三維模型，零件模型使用的單位制是mm、N。球閥公稱通徑為150 mm，球體半徑為135.5 mm，閥座外徑為174 mm，閥座內(nèi)徑為150 mm。球閥裝配好關(guān)閉時(shí)的實(shí)體模型如圖2所示。

圖2　球閥關(guān)閉時(shí)的實(shí)體模型

3　球芯的有限元模型

3.1設(shè)置單元類型

球閥球芯采用的材料是具有加工性能好、韌性高、耐腐蝕等特點(diǎn)的304不銹鋼。在ANSYS中對(duì)球閥球芯的單元類型選擇常用的六面體單元。該單元有8個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有3個(gè)自由度，能夠較好地反映受力和變形情況，且計(jì)算結(jié)果精度高。

球閥閥座材料采用的是具有彈塑性的聚四氟乙烯 （PTFEC）。在ANSYS中對(duì)球閥閥座的單元類型選擇三維大應(yīng)變單元。

3.2設(shè)置材料屬性

球閥球芯材料為304不銹鋼，彈性模量為1.93×105MPa，泊松比為0.29。閥座材料為聚四氟乙烯,彈性模量為400 MPa,泊松比為0.35。

3.3劃分網(wǎng)格

由于球閥球芯屬于不規(guī)則體，難以用映射的方式劃分網(wǎng)格，因此本文選擇自由劃分的方式對(duì)球閥球芯進(jìn)行網(wǎng)格劃分?？紤]到球閥的大小及計(jì)算精度，單元尺寸選擇10。而球閥閥座是規(guī)則體，因此選擇映射的方式對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，單元尺寸選擇10。劃分網(wǎng)格后的模型如圖3所示。

圖3　有限元模型

3.4創(chuàng)建接觸對(duì)

在球芯與閥座的接觸面創(chuàng)建面與面接觸對(duì)[6]，摩擦系數(shù)設(shè)置為0.1，接觸面為球芯外表面與閥座內(nèi)表面。閥座內(nèi)表面單元類型設(shè)置為target170，球芯外表面單元類型設(shè)置為contac174。

3.5施加約束和載荷

球閥在組裝時(shí)，殼體在螺栓的作用下施加作用力給閥座，閥座通過(guò)對(duì)球芯的擠壓產(chǎn)生形變,從而達(dá)到密封的作用。球閥球芯可繞閥桿軸心自轉(zhuǎn)，閥座固定不動(dòng)，因此對(duì)閥座外表面加以全約束，對(duì)兩閥座端面施加軸向位移載荷 （大小為ΔL）。在工作壓力為1.6 MPa的條件下，球閥關(guān)閉時(shí)，對(duì)靠近進(jìn)口的球芯外表面及靠近進(jìn)口的閥座內(nèi)表面施加工作壓力。加載后的模型如圖4所示。

4　有限元計(jì)算及分析

4.1密封比壓的分布情況

由于球閥主要是靠預(yù)緊力擠壓閥座產(chǎn)生形變達(dá)到密封，因此本文只分析閥座上的密封比壓。靠近出口的閥座密封面模型如圖5所示。王偉、俞樹(shù)榮、張浩強(qiáng)等人運(yùn)用有限元方法對(duì)球閥密封比壓的分布情況進(jìn)行過(guò)分析研究，但在施加載荷過(guò)程中，他們都是直接對(duì)閥座端面施加力載荷，而本文則是選擇對(duì)閥座施加軸向的位移載荷，更接近實(shí)際情況。本文以軸向位移載荷ΔL=0.5 mm為例，簡(jiǎn)要分析密封比壓的分布情況。圖6、圖7為閥座密封比壓局部云圖。

圖4　加載后的模型

圖5　靠近出口的閥座密封面

圖6　密封比壓最大點(diǎn)局部云圖

圖7　密封比壓最小點(diǎn)局部云圖

由圖6、圖7可知，密封比壓最大點(diǎn)位于靠近內(nèi)徑的邊緣處，而密封比壓最小點(diǎn)位于密封面中部，且密封比壓的分布呈現(xiàn)為靠近內(nèi)徑邊緣處最大，靠近外徑處略大于中部。此結(jié)論也與王偉、俞樹(shù)榮、張浩強(qiáng)等人的研究結(jié)果相符。

4.2密封比壓大小的控制

密封比壓需達(dá)到的要求為

式中qMF——必需的密封比壓；

q——實(shí)際密封比壓；

［q］——密封面材料的許用比壓。

在本例中，介質(zhì)工作壓力 p=1.6 MPa，qMF= 1.2p=1.2×1.6=1.92 MPa，［q］=15 MPa（聚四氟乙烯，密封面有滑動(dòng)）。

密封比壓的理論公式[7]為

其中閥座外徑 DMW=174 mm，閥座內(nèi)徑DMN=150 mm，由此可以計(jì)算出理論密封比壓q=5.4 MPa。

當(dāng)球閥關(guān)閉時(shí)，靠近進(jìn)口的球芯外表面在介質(zhì)工作壓力下，會(huì)使球芯向靠近出口的閥座進(jìn)行擠壓。當(dāng)靠近出口的閥座密封面達(dá)到密封要求時(shí)，靠近進(jìn)口的閥座密封面密封比壓會(huì)稍小。本文先對(duì)工作壓力為1.6 MPa，ΔL為0.5 mm，處于關(guān)閉狀態(tài)的球閥進(jìn)行有限元計(jì)算求解，得到靠近出口的閥座密封比壓云圖，如圖8所示。然后將密封面的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力進(jìn)行提取并求得平均值，在滿足qMF＜q＜［q］的密封要求下，用求得的平均值與密封比壓理論值進(jìn)行比較，通過(guò)改變?chǔ)的大小來(lái)調(diào)整密封比壓，使其在滿足密封要求的條件下盡可能接近理論值，最終找到ΔL較為合理的值。

提取密封面節(jié)點(diǎn)應(yīng)力并求得其平均值，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，ΔL為0.5 mm時(shí)密封比壓偏大。于是將ΔL調(diào)整為0.3 mm來(lái)縮小范圍。最后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)ΔL為0.33 mm時(shí)，計(jì)算出的密封比壓與理論值相當(dāng)接近，計(jì)算步驟及結(jié)果如表1所示。

圖8　靠近出口的閥座密封比壓云圖

表1　計(jì)算步驟及結(jié)果

由表1可知，在球閥為關(guān)閉狀態(tài)、工作壓力為1.6 MPa、ΔL為 0.33 mm時(shí),密封比壓為 5.517 MPa，滿足密封要求qMF＜q＜［q］，且非常接近理論值，誤差僅為2.12%。經(jīng)過(guò)有限元計(jì)算驗(yàn)證，當(dāng)ΔL為0.33 mm時(shí)，靠近進(jìn)口的閥座密封比壓為4.628 MPa，同樣滿足密封要求。

5　結(jié)論

（1）通過(guò)有限元分析可知，球閥密封比壓分布情況呈現(xiàn)為靠近內(nèi)徑邊緣處最大，中部最小，靠近外徑處略大于中部。

（2）通過(guò)有限元分析可知，公稱通徑為150 mm、球體半徑為135.5 mm的球閥在工作壓力為1.6 MPa的條件下，當(dāng)兩閥座端面的軸向位移為0.33 mm時(shí)，球閥滿足密封要求。

（3）運(yùn)用有限元方法，找出了兩閥座端面的軸向距離與密封比壓之間的關(guān)系。通過(guò)改變兩閥座端面的軸向距離，能夠有效控制密封比壓的大小,并能夠準(zhǔn)確地找出滿足密封要求的ΔL值，使球閥達(dá)到密封要求。

[1]楊開(kāi)華,徐丁.液氨充裝球閥泄漏原因分析及處理對(duì)策[J].大氮肥，2012（5）：335-336.

[2]潘曉娥，代迅.壓縮天然氣用氣瓶球閥的泄漏原因分析與改進(jìn) [J].閥門(mén)，2008（4）：42-43.

[3]王偉，閆懷磊，劉洋.基于ANSYS WorkBench的球閥密封面分析 [J].煤礦機(jī)械，2009（9）：220-222.

[4]俞樹(shù)榮，高揚(yáng)，張希恒.基于有限元的浮動(dòng)球閥密封比壓分析 [J].閥門(mén)，2006（2）：25-28.

[5]張浩強(qiáng)，張春良，羅彬彬.基于Pro/E和ANSYS的天然氣球閥密封比壓有限元分析 [J].機(jī)械工程與自動(dòng)化，2009（4）：67-69.

[6]張洪才.ANSYS 14.0理論解析與工程應(yīng)用實(shí)例 [M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

[7]陸培文.閥門(mén)設(shè)計(jì)手冊(cè) [M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 2002.

Finite Element Analysis of Sealing Property of Ball Valve

He JiashengLin XiaoZhu XiaomingZhang Lin

In consideration of the safe operation,the analysis model of the ball valve with the nominal diameter of 150 mm and the sphere radius of 135.5 mm is established through the finite element method.Meanwhile, the sealing pressure is analyzed.The sealing requirements are satisfied by adjusting the axial distance between the two end faces of the valve seats.

Ball valve；Sealing pressure；Valve seat;Finite element;Stainless steel

TQ 050.2DOI：10.16759/j.cnki.issn.1007-7251.2016.06.009

2015-10-30）

*何家勝，男，1958年生，教授。武漢市，430074。