鈦合金止回閥半圓形閥瓣強度計算及模擬研究

丁強偉，羅焱澤，婁燕鵬，劉興玉，賈文尖

（中國船舶集團(tuán)有限公司第七二五研究所，河南 洛陽 471023）

隨著石化行業(yè)對耐高溫、耐腐蝕材料需求的不斷增長，鈦合金材質(zhì)的反應(yīng)釜、冷卻器、塔器、閥門、管道等使用越來越廣泛。實踐證明，鈦合金設(shè)備在石化領(lǐng)域應(yīng)用效果優(yōu)異[1]。鈦合金閥門作為鈦合金管系、設(shè)備、裝置等配套的壓力、流體控制元件，能抵抗多種腐蝕性介質(zhì)的侵蝕，可解決不銹鋼、銅或鋁制閥門難以克服的腐蝕問題，具有使用安全、可靠、壽命長等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于石化行業(yè)PTA、氯堿、合成氨、醋酸等強腐蝕介質(zhì)和環(huán)境的項目中。

雙瓣式止回閥是近些年新研發(fā)一種止回閥類型，在石化、船舶行業(yè)應(yīng)用較多，其主要作用是防止管道中介質(zhì)倒流。半圓形結(jié)構(gòu)閥瓣是雙瓣式止回閥重要的承力件和啟閉件，其強度計算尤為重要。目前關(guān)于該半圓形閥瓣厚度計算的公式多為借鑒或經(jīng)驗公式，其力學(xué)模型非半圓形結(jié)構(gòu)，計算準(zhǔn)確性有待考證。為此，筆者再對比給出一種新的計算方法，結(jié)合某典型產(chǎn)品，通過對比計算、仿真分析，對鈦合金雙瓣止回閥半圓形閥瓣厚度進(jìn)行計算，探討閥瓣厚度計算公式的選用及閥瓣受力特點，為鈦合金止回閥設(shè)計、分析提供參考。

1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點

鈦合金雙瓣式止回閥（見圖1）主要由閥體、閥瓣、銷軸、擋銷、扭簧等零件組成。具有體積小、重量輕、密封可靠、可水平或垂直安裝于管路等特點。

如圖1～2 所示，扭簧作用于閥瓣、提供閥門初始密封力，介質(zhì)流入時，當(dāng)介質(zhì)壓力大于初始密封力，兩片半圓形閥瓣被沖開進(jìn)行介質(zhì)輸送；介質(zhì)流過壓力降低時，在扭簧作用力下，閥瓣回座、閥門閉合，實現(xiàn)止回功能。

圖1 鈦合金雙瓣止回閥Fig.1 Titanium dual-plate check valve

2 產(chǎn)品技術(shù)參數(shù)

公稱通徑：14"；

公稱壓力：300 Lb；

介質(zhì)：醋酸（HAC）、氫溴酸（HBr）催化劑、堿、工藝漿料等；

閥體材質(zhì)：ASTM B367 C-2；

圖2 閥門工作示意圖Fig.2 Functional diagram of check valve

閥瓣材質(zhì)：ASTM B367 C-5。

3 閥瓣結(jié)構(gòu)及厚度計算

如圖3 所示，雙瓣式止回閥閥瓣主要有半圓板主體、軸耳、限位塊等結(jié)構(gòu)特征，沿半圓板周向凸起部分為閥瓣密封面。

圖3 閥瓣結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structural diagram of plate

關(guān)于止回閥半圓形閥瓣厚度，目前主要有三種計算方法：

（1）手冊[2]給出的雙瓣式止回閥（即蝶式止回閥）閥瓣厚度計算是參照蝶閥蝶板厚度計算公式，具體如下：

式中D——閥瓣流道直徑，mm；

H—— 考慮了水擊升壓的介質(zhì)最大靜壓水頭，m。

C—— 考慮到結(jié)構(gòu)不連續(xù)、鑄造偏差及介質(zhì)腐蝕等因素而附加的余量，mm。

式（1）為蝶閥蝶板厚度計算公式，如圖4a 所示，其力學(xué)模型與半圓形止回閥閥瓣不同，同時計算參數(shù)H需確定閥瓣從全開到全關(guān)所需要的時間、閥門的流量等工況參數(shù)，止回閥作為自動類閥門，該類參數(shù)受工況影響波動大、較難確定，因此該公式實用性不 強[2]。

（2）實際設(shè)計計算時，多參照截止閥、旋啟式止回閥圓形閥瓣進(jìn)行計算，圓形閥瓣結(jié)構(gòu)簡圖如圖4b 所示，公式如下[3]：

式中DMP——閥瓣密封面平均直徑，mm；

P——計算壓力，MPa；

[σ]——材料的許用應(yīng)力，MPa；

C——同式（1）介紹。

（3）圖4c 為螺旋板換熱器半圓板位置結(jié)構(gòu)示意圖，半圓板、中心隔板、內(nèi)圈板三者通過焊接連接。文獻(xiàn) [4]給出了螺旋板換熱器半圓板厚度計算公式的力學(xué)推導(dǎo)過程，通過理論和試驗研究給出了半圓板厚度的計算方式，該公式已經(jīng)被我國能源行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)引用[5]?？紤]到雙瓣止回閥半圓形閥瓣結(jié)構(gòu)與該文獻(xiàn)半圓板相似，且均屬于承受均布載荷、周邊簡支的力學(xué)模型，因此考慮引用該公式進(jìn)行止回閥半圓形閥瓣厚度計算，具體如下：

圖4 不同計算公式對應(yīng)的閥瓣結(jié)構(gòu)簡圖Fig.4 Structural diagram of plate corresponding to different calculation formulas

式中h——半圓板高度，mm。其他參數(shù)同公式（2）。

因式（1）可操作性不強，現(xiàn)分別采用式（2）、式（3）進(jìn)行閥瓣厚度計算，代入P= 5 MPa，DMP= 309 mm，h= 154.5 mm，[σ] = 442 MPa[6-7]，取C= 4 mm[8]，式（2）與式（3）計算厚度t′B分別為22 mm、17 mm，實際厚度tB取計算厚度數(shù)值。

4 有限元分析與驗證

為進(jìn)一步分析驗證不同閥瓣厚度對閥瓣強度和剛度的影響，現(xiàn)借助有限元分析軟件對22 mm、17 mm 厚度閥瓣分別進(jìn)行模擬分析。

4.1 建模及網(wǎng)格劃分

利用軟件對鈦合金雙瓣式止回閥半圓形閥瓣進(jìn)行三維建模。忽略限位塊等局部結(jié)構(gòu)影響，適當(dāng)簡化模型。采用四面體/混合網(wǎng)格對導(dǎo)入的模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分[9]。為了計算結(jié)果更加精確，對結(jié)構(gòu)突變區(qū)域進(jìn)行了加密處理，如圖5 所示。

圖5 計算模型網(wǎng)格圖Fig.5 Grid graph of computing model

4.2 物性參數(shù)及邊界條件

（1）物性參數(shù)

閥瓣材料為鈦合金鑄件ASTM B367 C-5，具體物性參數(shù)設(shè)置如表1 所示[10]。

表1 ASTM B367 C-5 物性參數(shù)Table 1 The physical parameters of ASTM B367 C-5

（2）邊界條件及載荷

鈦合金雙瓣式止回閥閥瓣受力最苛刻的工況為閥門處于止回狀態(tài)、閥瓣承受反向最大介質(zhì)靜壓力的工況，理論上該最大靜壓力為5.0 MPa。按照上述工況，將閥瓣軸耳兩側(cè)進(jìn)行軸向位移約束、閥瓣凸臺密封面進(jìn)行法向位移約束，除了凸臺密封面及其圍起來的內(nèi)部表面，其余各方向施加介質(zhì)壓力5.0 MPa。

4.3 計算分析

模擬計算閥瓣在止回狀態(tài)5.0 MPa 工況時的應(yīng)力和變形分布情況。

（1）應(yīng)力分析

由圖6 可知，止回狀態(tài)下，在5 MPa 介質(zhì)力作用下，閥瓣受力較大區(qū)域集中于閥瓣中心，呈半圓形分布，22 mm 厚度閥瓣此處應(yīng)力值約為43 MPa、17 mm 厚度閥瓣處應(yīng)力值約為62 MPa，遠(yuǎn)小于許用應(yīng)力442 MPa，均滿足強度要求。閥瓣最大應(yīng)力出現(xiàn)在密封面凸臺與半圓板交接的地方，22 mm、17 mm閥瓣分別達(dá)到了246.8 MPa、301.7 MPa，屬于結(jié)構(gòu)不連續(xù)導(dǎo)致的局部應(yīng)力，屬正常狀況。為防止該處集中應(yīng)力過大，生產(chǎn)中可通過加大過渡圓角等方式減小局部應(yīng)力。

（2）變形位移分析

由圖7 可知，閥瓣變形最大區(qū)域集中于閥瓣中心，呈近橢圓形分布，隨著閥瓣中心不斷外延，變形位移值不斷減小，呈環(huán)狀遞減趨勢。22 mm 厚度閥瓣最大變形值約為0.06 mm、17 mm 厚度閥瓣最大變形值約為0.12mm，數(shù)值均較小，滿足使用功能要求。

對比圖6、圖7 可以看出，閥瓣應(yīng)力集中導(dǎo)致應(yīng)力激增的地方，變形位移趨于正常狀態(tài)，閥瓣中心受力較大區(qū)域與變形最大區(qū)域較為一致，均位于閥瓣中心處。

圖6 閥瓣應(yīng)力分布云圖（MPa）Fig.6 Cloud map for stress distribution of plate

圖7 閥瓣變形位移分布云圖（mm）Fig.7 Cloud map for deformation displacement of plate

（3）變化規(guī)律分析

為進(jìn)一步研究閥瓣上應(yīng)力、變形的變化規(guī)律，如圖8 所示，在閥瓣上表面平面（不含凸臺密封面）、沿著閥瓣半圓板主體幾何對稱線取一條路徑1—2，分別對厚度為22 mm、17 mm 的閥瓣模型進(jìn)行運算，通過提取沿分析路徑方向上的應(yīng)力、變形位移數(shù)據(jù)，制圖進(jìn)行分析。

圖8 分析評定路徑Fig.8 Path for analysis and evaluation

圖9 為閥瓣上部平面，沿著對稱徑向方向的應(yīng)力變化曲線，從圖中可以看出，厚度22 mm、厚度17 mm 閥瓣沿著該路徑的應(yīng)力變化趨勢相同，在橫坐標(biāo)22.5 mm、138 mm 位置均出現(xiàn)了應(yīng)力激增，這兩個位置即為密封凸臺平面內(nèi)環(huán)與分析路徑平面交接的地方，主要是空間位置、梯度發(fā)生突變所致，具有局部性，實際生產(chǎn)過程中可通過增大鑄造圓角、光滑過渡進(jìn)行改善；橫坐標(biāo)77 mm 位置（接近半徑值一半的位置），22 mm 閥瓣、17 mm 閥瓣應(yīng)力峰值分別約為43 MPa、62 MPa，不考慮應(yīng)力集中及突變，該位置兩側(cè)應(yīng)力都相對較小。

圖9 沿路徑方向應(yīng)力變化曲線Fig.9 Stress change curve follow the path

圖10 為閥瓣上部平面，沿著對稱徑向方向的變形位移曲線，從圖中可以看出，厚度22 mm、厚度17 mm 閥瓣沿著該路徑的變形變化趨勢相同，均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，22 mm 閥瓣、17 mm 閥瓣變形峰值分別約為0.12 mm、0.06 mm，該位置與圖9 中閥瓣中心應(yīng)力較大的位置一致，沿該位置兩側(cè)變形值不斷減小。

圖10 沿路徑方向變形變化曲線Fig.10 Deformation change curve follow the path

5 生產(chǎn)及試驗

通過計算，22 mm 厚度、17 mm 厚度閥瓣應(yīng)力、變形均滿足設(shè)計要求，考慮到鈦合金閥門的制造成本，最終選定厚度17 mm 進(jìn)行閥瓣設(shè)計及生產(chǎn)制造。閥瓣鑄件及14 寸鈦合金雙瓣止回閥產(chǎn)品如圖11、圖12 所示。閥瓣與閥體在完成密封面研磨后，進(jìn)行了整機裝配調(diào)試，通過了功能試驗、強度試驗、高壓密性試驗等一系列出廠試驗，滿足API 598—2016 標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖11 閥瓣鑄件Fig.11 Plate casting

圖12 鈦合金雙瓣式止回閥產(chǎn)品Fig.12 Titanium dual-plate check valve

6 結(jié)束語

（1）通過對止回閥半圓形閥瓣厚度進(jìn)行對比計算和仿真分析驗證，表明運用經(jīng)驗公式（2）計算出的厚度值較為保守，本文推薦的計算公式（3）仿真分析最大應(yīng)力約為62 MPa，遠(yuǎn)小于許用應(yīng)力，已滿足強度要求，且更加經(jīng)濟(jì)，可用于半圓形閥瓣設(shè)計計 算。

（2）本鈦合金雙瓣式止回閥已完成系列化研制并服役于國內(nèi)某PTA 生產(chǎn)現(xiàn)場，使用效果良好。

（3）引入仿真模擬試驗可以直觀分析閥門部件的受力變化規(guī)律，較準(zhǔn)確地計算出局部應(yīng)力、變形位移等數(shù)值，縮短研發(fā)周期，指導(dǎo)產(chǎn)品設(shè)計。