金屬硬密封球閥閥體在液化工藝中的應(yīng)力分析

厲 陳，孫豐位，朱曉斌，張 帆

（浙江省泵閥產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)中心，浙江 溫州 325105）

符號說明

Do——閥體外直徑，mm σθ——周向應(yīng)力，MPa

Di——閥體內(nèi)直徑，mm σr——徑向應(yīng)力，MPa

p——介質(zhì)壓力，mm σz——軸向應(yīng)力，MPa

Ro——閥體外半徑，mm K——閥體外徑與內(nèi)徑之比

Ri——閥體內(nèi)半徑，mm r——閥體任意半徑，mm

p——介質(zhì)壓力，mm [σ]—許用應(yīng)力，MPa

δ—閥體壁厚，mm C——閥體壁厚附加量，mm

Δt——閥體內(nèi)外壁溫度差，℃ pt——溫度壓力，MPa

Kr——閥體外半徑與任意半徑比值σr4——相當(dāng)應(yīng)力，MPa

1 概述

直接液化是將固體在高溫高壓下與氫反應(yīng)，將其降解和加氫從而轉(zhuǎn)化為液體油類的工藝，又稱加氫液化。早期的液化反應(yīng)（如德國工藝）壓力高達(dá)30MPa～70MPa，我國神華自主研發(fā)的工藝流程為先把固體磨成粉，在催化劑和自身產(chǎn)生的部分液化油（循環(huán)溶劑）配成漿，在高溫（450℃以上）和高壓（18MPa～30MPa）下直接加氫，獲得液化油，然后再經(jīng)過提質(zhì)加工，盡管較德國工藝反應(yīng)條件變得緩和，但依然存在惡劣的高溫、高壓、高磨損、高腐蝕工況[1-3]。針對于直接液化這種重要場合，以某工段高磅級硬密封球閥為例，采用理論分析及有限元分析法來分別對常溫、高溫下閥體應(yīng)力及不同的試驗(yàn)方法對閥體應(yīng)力產(chǎn)生的影響進(jìn)行分析和探討。

圖1 液化用金屬硬密封球閥

2 常溫分析

對于球閥閥體壁厚的計算，國內(nèi)外尚無統(tǒng)一的計算公式，現(xiàn)行的計算公式大多是由壓力容器的計算公式演變而來，只不過是改變某些系數(shù)或附加余量值。目前設(shè)計所采用的標(biāo)準(zhǔn)有兩大類，一種是按照常規(guī)設(shè)計，另一種是分析設(shè)計。國外常用的ASMEⅧ-1為常規(guī)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，適用壓力小于等于20MPa；它以彈性失效設(shè)計準(zhǔn)則為依據(jù)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定材料許用應(yīng)力，并對零部件尺寸做出一些具體規(guī)定。由于他具有較強(qiáng)的經(jīng)驗(yàn)性，故許用應(yīng)力較低。ASMEⅧ-1不包括疲勞設(shè)計，但包括靜載下進(jìn)入高溫蠕變范圍的設(shè)計。ASMEⅧ-2為分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，它要求對承壓容器各區(qū)域的應(yīng)力進(jìn)行詳細(xì)地分析，并根據(jù)應(yīng)力對容器失效的危害程度進(jìn)行應(yīng)力分類，再按照不同的安全準(zhǔn)則分別予以限制。與ASMEⅧ-1相比，ASMEⅧ-2對結(jié)構(gòu)的規(guī)定更細(xì)，對材料、設(shè)計、制造、檢驗(yàn)和驗(yàn)收的要求更高，允許采用較高的許用應(yīng)力，所設(shè)計的出的容器壁厚較薄。ASMEⅧ-2包括了疲勞設(shè)計，但設(shè)計溫度限制在蠕變溫度以內(nèi)。而ASMEⅧ-3主要適用于設(shè)計壓力不小于70MPa的高壓容器，它不僅要求對容器各零部件做詳細(xì)的應(yīng)力分析和分類評定，而且要做疲勞分析或斷裂力學(xué)評估，是一個到目前為止要求最高的承壓設(shè)計規(guī)范。而我國的GB150其基本思路與ASMEⅧ-1相同，屬于常規(guī)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，而JB 4732基本思路與ASMEⅧ-2相同，屬于分析設(shè)計。本文的研究，綜合采用兩種設(shè)計方法，但必須指出，計算公式不僅要從強(qiáng)度的觀點(diǎn)考慮，而有時還應(yīng)當(dāng)考慮剛度問題。特別是高壓大口徑球閥體，應(yīng)保證有足夠的剛度。閥體的計算首先要保證有足夠的安全性，在此前提下才考慮其經(jīng)濟(jì)性。此外，還應(yīng)考慮腐蝕、制造工藝等因素，而有些因素，例如管道附加應(yīng)力是難以估算的，有時要憑實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)[4-6]。液化工況下的金屬硬密封球閥殼體形狀多為鍛造圓筒形殼體，當(dāng)外直徑和內(nèi)直徑的比值max)/(ioDD≤1.1～1.2，稱為薄壁殼體，反之，則稱為厚壁殼體，而本文所采用的研究對象為某工段的4500Lb球閥（圖1），為厚壁閥體。與固體氣化中的薄壁閥體相比，在承受壓力載荷作用時，厚壁閥體所產(chǎn)生的應(yīng)力不僅有周向應(yīng)力和軸向應(yīng)力，還有徑向應(yīng)力，是三向應(yīng)力狀態(tài)，應(yīng)采用三向應(yīng)力分析。周向應(yīng)力和徑向應(yīng)力沿壁厚不是均勻分布的，而出現(xiàn)應(yīng)力梯度。這種應(yīng)力狀態(tài)和應(yīng)力分布的改變，可解釋為厚壁閥體是由許多同心的薄壁閥體組成，在承受壓力時不像獨(dú)立的薄壁閥體，變形時自由的，組成厚壁閥體的每個薄閥體，他的變形既受到內(nèi)層閥體的約束，又受到外層閥體的限制，變形不是自由的。由于各層閥體的變形受到的約束和限制是不一樣的，因此每個薄閥體所受內(nèi)外側(cè)壓力也是不相同的，造成應(yīng)力在沿壁厚的分布也不均勻。在常溫下，閥體受內(nèi)壓p的作用，閥體的內(nèi)半徑和外半徑分別為Ri和Ro。以軸線z軸簡歷圓柱坐標(biāo)系，分析遠(yuǎn)離閥體兩端及結(jié)構(gòu)不連續(xù)處的三向應(yīng)力。

圖2 厚壁閥體中的應(yīng)力

在閥體上取遠(yuǎn)離結(jié)構(gòu)不連續(xù)處的A點(diǎn)，以縱橫六個截面截取微元六面體(圖2)，微元體受三向應(yīng)力作用，由平衡方程、幾何方程和物理方程，可導(dǎo)出閥體的應(yīng)力值如公式（1）所示，繪制三維模型，利用已知條件和邊界條件，通過ANSYS有限元軟件得出的應(yīng)力分布云圖（圖3），圖3（a）為ANSYS常溫閥體應(yīng)力分布云圖，3(b)為ANSYS常溫閥體橫截面應(yīng)力分布云圖。

圖3 ANSYS常溫閥體應(yīng)力分布云圖

利用公式（1），通過畸變能密度理論公式，可導(dǎo)出殼體壁厚δ

根據(jù)（1）式值大小排列主應(yīng)力，及相當(dāng)應(yīng)力σr4來驗(yàn)證閥體安全性

由公式（1），圖3及圖4可以看出，軸向應(yīng)力及軸向應(yīng)力均為拉應(yīng)力，徑向應(yīng)力為壓應(yīng)力。在數(shù)值上有如下規(guī)律：內(nèi)壁周向應(yīng)力為最大值，而在外壁處減至最小，內(nèi)外壁之差為p；徑向應(yīng)力內(nèi)壁處為-p，隨著半徑增加，徑向應(yīng)力絕對值逐漸減小，在外壁處為0。軸向應(yīng)力為一常量，沿壁厚均勻分布。除軸向應(yīng)力外，壁厚越大，周向應(yīng)力和徑向應(yīng)力沿壁厚不均勻程度越大，呈現(xiàn)出內(nèi)壁材料開始出現(xiàn)屈服時，外壁材料尚未達(dá)到屈服，外壁約束著內(nèi)壁，從而保證了閥體的安全性。

3 高溫分析

在高溫下，溫度由閥體的內(nèi)壁傳至閥體外壁，由于閥體金屬材料的熱阻，造成厚壁閥體不同半徑處存在不同的溫度，而外層約束著內(nèi)層材料的漲縮，產(chǎn)生溫度應(yīng)力。由于整個閥體存在溫度梯度，內(nèi)層材料的自由熱膨脹大于外層，但內(nèi)層變形收到外層材料的限制，因而內(nèi)層材料出現(xiàn)了壓縮熱應(yīng)力，外層材料出現(xiàn)了拉伸應(yīng)力。此外，隨著壁厚增加，內(nèi)外壁間的溫差加大，由此產(chǎn)生的熱應(yīng)力相應(yīng)增大，因此閥體壁厚中的熱應(yīng)力成為不可忽視的重要部分。

為求解厚壁閥體中的熱應(yīng)力，須先確定閥體中的溫度分布，在根據(jù)平衡方程、幾何方程和物理方程，結(jié)合邊界條件求解。但須注意的是，在溫度變化情況下，物理方程中的應(yīng)變由兩部分疊加而成，一是熱應(yīng)變；二是熱變形時由于相互約束引起的應(yīng)變，根據(jù)以上條件，推得溫度應(yīng)力如下可導(dǎo)出閥體的熱應(yīng)力公式（4）所示，閥體的熱應(yīng)力分布圖（圖4），同樣的，利用已知條件和邊界條件，通過ANSYS有限元軟件得出的分布云圖（圖4），圖4（a）為高溫閥體溫度場分布云圖，圖4(b)為高溫閥體橫截面溫度場分布云圖。圖4(c)高溫閥體熱應(yīng)力分布云圖，圖4(d)高溫閥體橫截面熱應(yīng)力分布云圖。

由公式可以看出，熱應(yīng)力大小與內(nèi)外壁溫差成正比，溫差取決于閥體厚度，閥體厚度越大，溫差值也就越大。熱應(yīng)力沿厚度方向是變化的。所以在高溫工況下使用的閥門，并不是壁厚越厚越安全，壁厚的增加將會使熱應(yīng)力迅速增加，削弱殼體強(qiáng)度。熱應(yīng)力并且隨約束程度的增大而增大。由于材料的線膨脹系數(shù)、彈性模量與泊松比隨溫度變化而變化，熱應(yīng)力不僅與溫度變化量有關(guān)，而且受初始溫度的影響。熱應(yīng)力與零外載相平衡，是由熱變形受約束引起的自平衡應(yīng)力，在溫度高處發(fā)生壓縮，溫度低處發(fā)生拉伸變形。需要指出的是，在熱設(shè)備開車、停車或變動工況時，溫度分布隨時間而改變即處于非穩(wěn)態(tài)溫度場，此時的熱應(yīng)力往往要比穩(wěn)態(tài)溫度場時大得多，這在溫度急劇變化時尤為顯著，為減少熱應(yīng)力，工程上常采用在閥體外部包裹保溫層，降低閥體溫度場，從而減低熱應(yīng)力。

在實(shí)際工況中，由內(nèi)壓引起的熱應(yīng)力與溫差所引起的熱應(yīng)力同時存在，閥體的總應(yīng)力應(yīng)為兩種應(yīng)力的疊加，公式（5）為溫度和壓力聯(lián)合作用下的閥體內(nèi)壁綜合應(yīng)力。圖4(e)高溫閥體綜合應(yīng)力分布云圖，圖4(f)高溫閥體橫截面綜合應(yīng)力分布云圖。

以公式（5）推得的結(jié)果，使用畸變能密度理論及應(yīng)力評定，來對殼體的強(qiáng)度進(jìn)行評估。

圖4 ANSYS高溫閥體分布云圖

4 試驗(yàn)方法

在缺少理論分析只有有限元分析結(jié)果或是只有實(shí)驗(yàn)結(jié)果條件下，很難判斷實(shí)驗(yàn)和有限元的正確性和可靠性，所以做有限元或著是試驗(yàn)的一個重要前提是理論分析的正確性，理論分析在前幾節(jié)已有了大量的論證。在閥門制造廠及閥門檢驗(yàn)檢測機(jī)構(gòu)，對閥門的高溫試驗(yàn)，常見的有兩種試驗(yàn)方法，一種是在閥體外部加熱，閥體內(nèi)部加壓，如荷蘭的ITIS B.V.實(shí)驗(yàn)室、美國bray、浙江省泵閥產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)中心早期的試驗(yàn)裝置（圖7）等。另一種是閥體的溫度和壓力均來自閥體內(nèi)部，如上海開維喜（圖6）、福建特種設(shè)備檢測院、沈閥給清華大學(xué)設(shè)計的高溫試驗(yàn)裝置。而后者更接近于工況。閥體內(nèi)壓閥體外部加熱的有限元分析結(jié)果圖如圖5所示，圖5（a）為閥體外加熱溫度場分布云圖，圖5（b）為閥體外加熱橫截面溫度場分布云圖，圖5（c）為閥體外加熱熱應(yīng)力分布云圖，圖5(d)為閥體外加熱橫截面熱應(yīng)力分布云圖，圖5（e）為壓力和外部溫度聯(lián)合作用下閥體應(yīng)力云圖，圖5（f）為壓力和外部溫度聯(lián)合作用下閥體橫截面應(yīng)力云圖。

圖5 ANSYS閥體外加熱分布云圖

經(jīng)與第二節(jié)內(nèi)容對比分析分析，發(fā)現(xiàn)內(nèi)加熱時，徑向熱應(yīng)力為壓應(yīng)力，外加熱時為拉應(yīng)力。周向熱應(yīng)力和軸向熱應(yīng)力，在內(nèi)加熱時，外壁面處拉伸應(yīng)力有最大值，在內(nèi)壁面為壓應(yīng)力。反之，在外加熱時，內(nèi)壁面處拉伸應(yīng)力有最大值，在外壁處為壓應(yīng)力。

第二種試驗(yàn)方法，投資成本少，甚至用履帶式加熱器纏繞閥體外裹保溫層即可完成，但終究代替不了真實(shí)的工況，而第一種投資巨大，對于中型企業(yè)來說，即便是去試驗(yàn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)資金也很難負(fù)擔(dān)。

圖6 上海開維喜鎖渣閥高溫試驗(yàn)裝置圖7浙江泵閥質(zhì)驗(yàn)中心早期高溫試驗(yàn)裝置

5 結(jié)論

（1）厚壁閥體處于三向應(yīng)力狀態(tài)，無論是應(yīng)力還是壁厚的計算，均與閥體內(nèi)徑有關(guān)，壁厚越厚，徑向應(yīng)力及周向應(yīng)力沿壁厚方向非均勻化分布越明顯。

（2）在高溫下使用的球閥，并不是壁厚越厚越安全，壁厚的增加會引起熱應(yīng)力的迅速增加，反而削弱閥體強(qiáng)度。

（3）內(nèi)加熱和外加熱這兩種試驗(yàn)方法有本質(zhì)區(qū)別，造成的閥體受力狀態(tài)完全不同，外加熱法并不能代表真實(shí)的實(shí)際工況受力狀態(tài)，該結(jié)論同樣適用于低溫閥的試驗(yàn)。

（4）公式及結(jié)論僅僅適用于閥體結(jié)構(gòu)連續(xù)處，對于其他情況，由于文章篇幅有限，沒有完成殼體在結(jié)構(gòu)不連續(xù)處的應(yīng)力、局部應(yīng)力、斷裂應(yīng)力、開孔補(bǔ)強(qiáng)及應(yīng)力評定，在后續(xù)的文章中會逐漸完善對該內(nèi)容的論述。