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摘 要：为保证球阀的安全运行，运用有限元方法建立了公称通径为150mm、球体半径为135.5mm的球阀分析模型，并对球阀密封比压进行了分析。通过调整两阀座端面的轴向距离来控制密封比压，从而使球阀达到密封要求。
关键字：球阀 密封比压 阀座 有限元 不锈钢
0 引言
云南天安化工有限公司使用的球阀曾频繁发生泄漏；压缩天然气（CNG）长管拖车上的球阀在使用2~3个月后往往也出现泄漏情况。这些球阀泄漏事故不但会造成严重的经济损失，更危及到人们的生命安全，因此对球阀密封性进行分析有着重要的意义。
工程上，通常通过调整球阀壳体法兰的密封垫片厚度来控制螺栓预紧力，进而控制密封比压。然而这只能把密封比压控制在一个大致范围，并不能达到准确控制。王伟、俞树荣、张浩强等人曾运用有限元方法对球阀密封比压的分布情况进行分析研究，且都是选择对阀座端面施加力载荷。实际上力载荷的大小在工程中往往难以准确控制。
因此，本文选择更易准确控制的位移载荷。经过分析发现，控制两阀座端面的轴向距离就能有效地控制密封比压。
1 研究思路及原理
球芯和阀座构成球阀的密封结构。浮动球阀密封结构如图1所示，球阀两阀座端面在轴向的距离为L（本文中L为248mm），球阀壳体在螺栓预紧力下对阀座进行挤压，两阀座端面的轴向距离缩短2ΔL（阀座相对于球芯对称），阀座产生形变从而达到密封。工程上螺栓预紧力往往是通过法兰密封垫片的厚度来控制的，而密封垫片的厚度并无固定标准，通常都是各厂家依据经验方法自己确定，因此实际密封比压相对于设计要求常常会过大或者过小，并不能保证满足密封要求。本文运用有限元方法进行模拟计算，可以调整ΔL的大小，并找到两阀座端面的轴向距离与密封比压之间的关系。
图1 浮动球阀密封结构
2 球芯实体模型的建立
本文运用ANSYS软件建立天然气球阀密封的三维模型，零件模型使用的单位制是mm、N。球阀公称通径为150mm，球体半径为135.5mm，阀座外径为174mm，阀座内径为150mm。球阀装配好关闭时的实体模型如图2所示。
图2 球阀关闭时的实体模型
3 球芯的有限元模型
3.1 设置单元类型
球阀球芯采用的材料是具有加工性能好、韧性高、耐腐蚀等特点的304不锈钢。在ANSYS中对球阀球芯的单元类型选择常用的六面体单元。该单元有8个节点，每个节点有3个自由度，能够较好地反映受力和变形情况，且计算结果精度高。
球阀阀座材料采用的是具有弹塑性的聚四氟乙烯（PTFEC）。在ANSYS中对球阀阀座的单元类型选择三维大应变单元。
3.2 设置材料属性
球阀球芯材料为304不锈钢，弹性模量为1.93×105MPa，泊松比为0.29。阀座材料为聚四氟乙烯，弹性模量为400MPa，泊松比为0.35。
3.3 划分网格
由于球阀球芯属于不规则体，难以用映射的方式划分网格，因此本文选择自由划分的方式对球阀球芯进行网格划分。考虑到球阀的大小及计算精度，单元尺寸选择10。而球阀阀座是规则体，因此选择映射的方式对其进行网格划分，单元尺寸选择10。划分网格后的模型如图3所示。
图3 有限元模型
3.4 创建接触对
在球芯与阀座的接触面创建面与面接触对，摩擦系数设置为0.1，接触面为球芯外表面与阀座内表面。阀座内表面单元类型设置为target170，球芯外表面单元类型设置为contac174。
3.5 施加约束和载荷
球阀在组装时，壳体在螺栓的作用下施加作用力给阀座，阀座通过对球芯的挤压产生形变，从而达到密封的作用。球阀球芯可绕阀杆轴心自转，阀座固定不动，因此对阀座外表面加以全约束，对两阀座端面施加轴向位移载荷（大小为ΔL）。在工作压力为1.6MPa的条件下，球阀关闭时，对靠近进口的球芯外表面及靠近进口的阀座内表面施加工作压力。加载后的模型如图4所示。
图4 加载后的模型
4 有限元计算及分析
4.1 密封比压的分布情况
由于球阀主要是靠预紧力挤压阀座产生形变达到密封，因此本文只分析阀座上的密封比压。靠近出口的阀座密封面模型如图5所示。王伟、俞树荣、张浩强等人运用有限元方法对球阀密封比压的分布情况进行过分析研究，但在施加载荷过程中，他们都是直接对阀座端面施加力载荷，而本文则是选择对阀座施加轴向的位移载荷，更接近实际情况。本文以轴向位移载荷ΔL=0.5mm为例，简要分析密封比压的分布情况。图6、图7为阀座密封比压局部云图。
图5 靠近出口的阀座密封面
图6 密封比压最大点局部云图
图7 密封比压最小点局部云图
由图6、图7可知，密封比压最大点位于靠近内径的边缘处，而密封比压最小点位于密封面中部，且密封比压的分布呈现为靠近内径边缘处最大，靠近外径处略大于中部。此结论也与王伟、俞树荣、张浩强等人的研究结果相符。
4.2 密封比压大小的控制
密封比压需达到的要求为
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发表于 2017-1-20 08:28:13
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