單瓣旋啟式止回閥閥蓋厚度計(jì)算公式的分析與研究①

丁無極 姚舜剛 李 江 盛水平

(1.杭州市特種設(shè)備檢測研究院；2.浙江省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院；3.杭州宏偉壓力容器制造有限公司)

近年來，石化行業(yè)、冶金部門、電力部門及城市建設(shè)等閥門使用大戶對閥門的需求越來越大[1]，因閥門生產(chǎn)企業(yè)質(zhì)量參差不齊而導(dǎo)致閥門破裂造成的生產(chǎn)事故也越來越多，如某聚氯乙烯生產(chǎn)企業(yè)發(fā)生氯乙烯單體單向止回閥閥蓋突然破裂事故、某自來水廠多臺止回閥閥體破裂等。

止回閥是應(yīng)用較為普遍的一種閥門，閥門啟閉件靠介質(zhì)流動和力量自行完成開啟或關(guān)閉，以防介質(zhì)倒流。旋啟式止回閥采用內(nèi)裝搖臂旋啟式結(jié)構(gòu)，閥門的所有啟閉件都安裝于閥體內(nèi)部，不穿透閥體，除了中法蘭部位用密封墊片和密封環(huán)外，整體沒有外漏點(diǎn)，杜絕了閥門外泄的可能。閥蓋是旋啟式止回閥的重要部件之一，它既承受管道的工作壓力，又承受管道中介質(zhì)的沖擊作用力(氣浪、液錘等)。然而在閥門的設(shè)計(jì)計(jì)算中，人們往往只關(guān)注閥體與閥瓣的強(qiáng)度校核，而忽視閥蓋的壁厚計(jì)算。閥蓋作為閥門密封件，其受力引起的變形將直接影響閥門的工作可靠性[2]。為此，筆者在對常規(guī)閥蓋計(jì)算公式結(jié)果進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上對公式做了相應(yīng)的改進(jìn)，并采用有限元法對改進(jìn)后的公式進(jìn)行求解、分析與驗(yàn)證，通過對閥蓋應(yīng)力場的分析和研究揭示閥蓋內(nèi)部各向應(yīng)力變化過程的基本規(guī)律，達(dá)到指導(dǎo)閥蓋設(shè)計(jì)計(jì)算的目的。

1 常規(guī)閥蓋計(jì)算公式

設(shè)計(jì)閥門時，各標(biāo)準(zhǔn)對旋啟式止回閥閥體厚度都有明確的定義，而對于閥蓋厚度的計(jì)算無論是國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)，還是閥門計(jì)算手冊，都沒有明確的定義和分類，閥門設(shè)計(jì)手冊中旋啟式止回閥閥蓋厚度計(jì)算公式也僅適用于碟形閥蓋。目前，大多數(shù)旋啟式止回閥設(shè)計(jì)者多以閥體厚度公式來確定閥蓋厚度，然而對于閥體形狀為圓筒形或橢球形，閥蓋形狀為圓形平板的情況，顯然利用閥體計(jì)算公式計(jì)算閥蓋是不合理的。

圖1 為單瓣旋啟式止回閥結(jié)構(gòu)示意圖，閥蓋材料為鑄造銅合金ZCuZn4Pb2(閥門設(shè)計(jì)手冊中其許用應(yīng)力為50MPa)，公稱壓力1.6MPa，DN66mm，設(shè)計(jì)余量4mm，工作介質(zhì)為水、油及氣等，工作溫度低于170℃。

閥門設(shè)計(jì)手冊中給出的閥蓋厚度計(jì)算公式為[3,4]：

(1)

式中C——考慮鑄造偏差、工藝性能及介質(zhì)腐

圖1 單瓣旋啟式止回閥結(jié)構(gòu)示意圖

蝕等因素而附加的裕量，mm；

DN——閥蓋中腔最大內(nèi)徑(根據(jù)結(jié)構(gòu)需要選定)，mm；

p——設(shè)計(jì)壓力，通常取公稱壓力pN，MPa；

SB——考慮腐蝕余量的閥蓋壁厚，mm；

[σL]——材料的許用拉應(yīng)力，MPa。

圖2是單瓣旋啟式止回閥閥蓋結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2 單瓣旋啟式止回閥閥蓋結(jié)構(gòu)示意圖

將數(shù)據(jù)代入式(1)，得到：

(2)

取C=4mm，則SB=4.93mm，閥門設(shè)計(jì)手冊中給定的最小壁厚為5.50mm，大于計(jì)算值，因此計(jì)算結(jié)果符合要求。然而，筆者對此計(jì)算結(jié)果表示懷疑。

2 公式的改進(jìn)

經(jīng)查閱閥門設(shè)計(jì)手冊，式(1)是鋼和合金鋼圓形閥體壁厚的計(jì)算式，是用于截面為圓筒形的鋼質(zhì)閥體的計(jì)算公式，屬于經(jīng)驗(yàn)公式。而單瓣旋啟式止回閥閥蓋為圓形平板，應(yīng)該更適合用盲板公式確定其厚度。

基于塑性分析推導(dǎo)出的平蓋厚度計(jì)算公式為[5]：

(3)

式中K——平蓋結(jié)構(gòu)特征系數(shù)，K=0.75；

φ——焊接系數(shù)，φ=1。

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式(3)，得到閥蓋厚度SB=5.90mm。

3 分析與驗(yàn)證

3.1 建模

對單瓣旋啟式止回閥閥蓋進(jìn)行ANSYS有限元建模，如圖3所示。將閥蓋看作平蓋并簡化為圓形平板，然后對其圓柱面施加全約束。

圖3 圓形平板有限元模型

3.2 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分是建模中非常重要的一個環(huán)節(jié)，網(wǎng)格劃分的質(zhì)量將直接影響計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性和計(jì)算進(jìn)度，網(wǎng)格劃分嚴(yán)重不合理時將導(dǎo)致計(jì)算不收斂。根據(jù)該閥體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和載荷類型，選擇單元類型為SOLID187，網(wǎng)格劃分尺寸應(yīng)不大于閥蓋最小厚度值。筆者采用自由網(wǎng)格劃分方法進(jìn)行網(wǎng)格劃分，結(jié)果如圖4所示。

3.3 仿真與結(jié)果分析

單瓣旋啟式止回閥閥體材料為ZCuZn40Pb2，抗拉強(qiáng)度110MPa，彈性模量和泊松比分別為90GPa和0.324[6]。

在模型的圓環(huán)面上施加位移約束，在圓形平板的一面施加面力載荷，載荷特征為均勻內(nèi)壓，根據(jù)閥體的試驗(yàn)壓力，在閥體的內(nèi)表面施加載荷1.5MPa[7]。

選擇PCG迭代求解器，由計(jì)算機(jī)自動完成求解運(yùn)算。由于本例屬于靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析，所以選用通用后處理器進(jìn)行分析結(jié)果的檢查，結(jié)果如圖5、6所示。

圖5 修正前后受均布力后的應(yīng)力分布

圖6 修正前后受均布力后的位移分布

由圖5、6可知，應(yīng)力分布呈現(xiàn)中間部位小、向閥體連接處逐漸增大的分布狀態(tài)，應(yīng)力主要集中在閥體與閥蓋連接部位，此分布情況使連接處的應(yīng)變較大，易產(chǎn)生縫隙發(fā)生介質(zhì)泄漏，進(jìn)而引發(fā)事故[8]。公式改進(jìn)前，閥蓋模型邊緣應(yīng)力超過110MPa的范圍遠(yuǎn)大于改進(jìn)后；改進(jìn)前閥蓋模型的最大位移量為0.022 147mm，而一般5～7mm厚的板材的允許厚度變形為0.022mm，可見改進(jìn)前位移量已超出允許變形量[9]。改進(jìn)后的計(jì)算厚度經(jīng)分析驗(yàn)證，最大厚度位移量為0.013 586mm，小于允許值，因此滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)束語

筆者對單瓣旋啟式止回閥閥蓋厚度計(jì)算公式存在的不合理之處進(jìn)行了分析改進(jìn)，并利用ANSYS進(jìn)行了有限元分析，計(jì)算結(jié)果證明筆者提出的單瓣旋啟式止回閥閥蓋厚度計(jì)算公式能夠較準(zhǔn)確地模擬幾何初始缺陷和殘余應(yīng)力對構(gòu)件整體穩(wěn)定受力特性的影響，從而準(zhǔn)確地計(jì)算閥蓋的設(shè)計(jì)厚度，為閥門的整體設(shè)計(jì)提供了依據(jù)，降低了閥蓋因剛度不足造成的泄漏風(fēng)險，提高了閥門的安全性。

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