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摘 要：介绍了管线球阀安装到管线系统中承受外载荷的类别、大小和施加方式，以及阀体结构强度的安全评定方法，建立了管线球阀有限元数值分析模型和弯曲载荷模拟试验测试平台，测试了管线球阀在弯曲载荷作用下阀体的实际应力状态和阀门的功能，验证了有限元数值分析的正确性。
关键字：管线球阀 外载荷 有限元分析 弯曲载荷模拟试验
1 概述
管线球阀应用于大型石油天然气长输管线上，其质量直接关系到输送介质的安全，因此对长输管线阀门的要求比通用阀门严格，既要求阀门具有较高的密封性，又要有足够的强度和韧性。管线球阀装入管线后，作为管线系统的一个部件，除了承受内部介质压力之外，还要承受外部载荷的影响。分析阀门阀体在介质压力与外部载荷复合作用下的结构强度，只能通过有限元仿真验证阀体结构强度的安全性。在有限元分析的基础上，建立开发弯曲载荷模拟试验测试平台，测试管线球阀在弯曲载荷作用下阀体的实际应力状态和阀门的功能，验证有限元数值分析的正确性。通过分析与研究，为产品的设计和生产提供了可靠的理论依据，保证了管线球阀在长输管线上可靠运行30a。
2 技术分析
阀门装入管线后，除了承受内部介质压力之外，还可能承受由于地基沉降和自重引起的弯曲力矩M，及由于安装和温度变化引起的外部压力载荷Q1和外部拉力载荷Q2。在分析设计中，假设M、Q1和Q2是分别施加在球阀上，因此，只考虑一种外力和介质压力的复合作用。根据ASMEQME－1中有关端部加载试验的相关规定，分析阀门阀体在介质压力与外部力矩载荷联合作用下的结构强度。
将测试阀门组件安装在测试固定装置里，端件传递端部测试负载。测试布置使恒定力矩施加在整个阀门长度上，在阀门和连接管道中同时施加满额度测试压力时，阀体至少承受在端盖中产生的正常轴向拉力。施加测试力矩时，尽可能对测试阀门组件的可操作性产生最不利影响。对于大多数闸阀和球阀，通常考虑在阀杆平面和管道中心线，即弯曲力矩施加于阀杆中心平面，拉力和压力施加于管道中心线。
阀门的外载荷是将阀门装入管道之后产生的。端部施加的最大外载荷规定为可施加在阀门上，而不使管道屈服的极限载荷。外部弯曲力矩M、压力Q1和拉力Q2为
M=FbS （1）
Q1=FaS1 （2）
Q2=FaS2 （3）
式中 Fb———结构的截面模数
S———连接管道中可能产生的最大应力，取管道材料的屈服强度σS
Fa———结构的横截面面积
S1———连接管道中可能产生的最大压应力
S2———连接管道中可能产生的最大拉应力
在阀体结构中，其颈部开孔结构属于典型的总体结构不连续，引起局部应力集中。在ASMEVIII－2中，给出采用分析设计方法，设计的合格性通过考察在各种设计外载荷下的结构行为进行校核。并提出根据弹性壳体不连续理论，将弹性应力场分解为一次应力（一次总体薄膜应力Pm、一次局部薄膜应力PL、一次弯曲应力Pb）、二次应力Q和峰值应力F等3种不同的应力，然后以相应的应力强度极限评定结构强度。
由于阀体所承受载荷是非周期性的载荷，使阀体产生破坏的是一次和二次应力，对峰值应力的影响可不予考虑，根据ASMEVIII－2规范要求，只需要校核3种应力。①一次总体薄膜应力，校核判据条件为Pm≤Sm。②一次局部薄膜应力+一次弯曲应力，校核判据条件为PL+Pb≤1.5Sm。③一次局部薄膜应力+一次弯曲应力+二次弯曲应力强度，校核判据条件为PL+Pb+Q≤3Sm（Sm是给定材料的许用应力强度）。一次总体薄膜应力、一次局部薄膜应力、一次弯曲应力和二次弯曲应力均按应力强度进行分解，当3个应力强度校核判据条件同时满足，则可判断结构强度安全。
3 力学模型与有限元数值分析
运用三维实体建模软件SolidWorks对阀体建模，建模过程中根据分析的需要，确定建模的重点部位，在保证不影响模型分析精度的前提下，对原始的三维实体模型进行必要的结构简化和网格划分。选择危险截面把各应力分量沿一条应力处理线进行均匀化和当量线性化处理。
（1）介质压力与外部弯曲力矩复合作用
建立外部弯曲力矩载荷力学模型（图1），并对其在内压和外载荷共同作用下进行有限元数值分析（图2）。
图1 介质压力与外部弯曲力矩载荷力学模型
（a）阀门与管道系统 （ b）阀体
图2 介质压力与外部弯曲力矩复合作用下阀门与管道应力强度分布
将危险截面作为特征截面位置，并选择应力线性化路径，进行线性化处理（图3）。
图3 线性化处理危险截面
分析可知，阀体由于颈部开孔存在局部应力集中，当管道达到最大应力强度状态，根据ASMEQME－1的试验要求以及ASMEIII和ASMEVIII-2的结构应力强度评定方法，阀体结构强度安全。
（2）介质压力与外部压力载荷复合作用
建立外部压力载荷力学模型（图4），并对其在内压和外载荷共同作用下进行有限元数值分析（图5）。
图4 介质压力与外部压力载荷力学模型
（a）阀门与管道系统 （b）阀体
图5 介质压力与外部压力载荷复合作用下阀门与管道应力强度
分析可知，在介质压力与外部压力载荷复合作用下，当管道达到最大压应力强度状态时，根据ASMEQME－1的试验要求以及ASMEIII和ASMEVIII－2的结构应力强度评定方法，阀体结构强度安全。
（3）介质压力与外部拉力载荷复合作用
建立外部拉力载荷力学模型（图6），并对其在内压和外载荷共同作用下进行有限元数值分析（图7）。
图6 介质压力与外部拉力力学模型
（a）阀门与管道系统 （b）阀体
图7 介质压力与外部拉力载荷复合作用下阀门与管道应力强度分布
分析可知，在介质压力与外部拉力载荷复合作用下，当管道达到最大拉应力强度状态时，根据ASMEQME－1的试验要求以及ASMEIII和ASMEVIII－2的结构应力强度评定方法，阀体结构强度安全。
4 弯曲载荷模拟试验
有限元数值分析有效的对阀体压力边界的完整性作出安全评估，并对阀体的结构设计进行了优化。为验证有限元分析的准确性和阀门的功能，通过弯曲模拟试验验证。在弯曲试验装置上，对管线球阀进行内压和弯曲载荷复合作用下的阀门密封性能检查，测量阀门的开关扭矩和阀体上各点的应力是否在允许的范围之内，并与阀体强度的有限元分析相比较，验证数值分析程序的准确性，为建立准确的数值分析程序提供了依据。
5 结语
通过对管线球阀外载荷作用下阀体强度进行有限元数值分析和弯曲载荷模拟试验，确定阀门强度满足相应要求。阀门安装到管线后，在外载荷和内压的共同作用下，管线系统容易发生失效的位置往往出现在阀门与管道相接处或薄壁管道上，在工程系统设计中应全面分析结构应力，才能保证安全稳定生产。
来源：网络转载
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发表于 2016-11-9 11:46:09
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