基于ANSYS的大型不锈钢阀体有限元分析

      0 引言
         某石化厂变换气自动切断阀阀体发生了开裂失效，阀体材料为SUS304（相当于0Cr19Ni9）不锈钢，阀门长为985mm，高为750mm，内直径为Φ378mm，最小壁厚为40mm，最大壁厚（阀底处）为85mm，整个阀体重达1t。该阀体除密封环外，其余均为整体铸造成形（包括3个法兰），阀体焊接密封环后进行了固溶处理。该阀体工作温度为350～370℃，工作压力为2.8MPa，工作介质为含氢量大于50%的变换气。该阀体的设计寿命为15年，但在服役3年后对其进行设备例行检查时发现阀体外表面的双闸板密封环所在的进出口直段与阀体腹腔交界相贯处出现大量断续、分散的裂纹，严重影响了安全生产。阀体外表面裂纹形貌如图1所示。

         1 阀体应力的有限元分析
         1.1 阀体结构简化
         本文主要关注在阀体相贯处及阀体与法兰相接处的应力水平，鉴于阀体法兰上的开孔及螺栓对所要关注区域的应力分布影响不大，故忽略法兰上的开孔和螺栓的作用；阀体上部的自动切断控制系统，其重力以及对阀体的密封作用不可忽略，故将自动切断控制系统简化成块状安放在阀体上部；由于阀体分别关于两个面完全对称，可采用1/4模型来模拟阀体的力学行为。
         1.2 材料属性
         在利用ANSYS软件进行热应力分析时，需输入钢在不同温度下的力学参数：如弹性模量、泊松比、导热系数以及热膨胀系数等。鉴于泊松比参考数据较少，对其按式（1）进行线性插值模拟：式中：ν为泊松比，无量纲；T为温度，℃。
阀体材料的热物理性能参数见表1。

         1.3  建立模型
         根据阀体的结构尺寸，采用三维实体模型，有限元单元选用ANSYS单元库中的结构分析单元——20节点六面体单元Solid95。整体控制网格尺寸为0.015m，以此作为基本尺寸进行自由网格划分，共193992个节点，131641个单元，其有限元计算模型如图2所示。

         1.4  边界条件与载荷工况
         实际工作中的阀体通过两个水平法兰与管道相连接，承受其自重及工作载荷，且阀体垂直法兰承受自动控制部分的自重（约为700kg）。因此，在建立边界条件时，需要对水平法兰施加约束以限制其在垂直方向上的位移。另外，由于计算模型采用1/4模型，故还需在其对称剖面节点上施加对称约束。
         阀体在工作中受工作压力作用，即有机械载荷；阀体内部存在受工作介质的高温作用，外表面受保温层的保温作用，会形成一定的温度场，即有热载荷。故需对阀体进行热-结构耦合分析，以模拟其实际工况，确定其工作应力水平。考虑到在实际工况下，工作压力既存在小的波动，也存在阀体在正常工作状态而无保温或是保温效果欠佳的可能，从而使阀体除受工作压力外，还有阀体内、外壁温差，但温差在5℃之内，分析时其影响可以忽略。对这两种工况进行综合模拟计算，模拟计算的工况如表2所示。

         1.5 分析结果
         本文采用间接法对阀体进行热-结构耦合求解。首先进行热分析，定义热分析单元、材料属性和实常数等，建立模型，划分网格，施加热边界条件，设置求解选项，进行求解。其次，将热分析单元转换成结构单元，定义结构单元材料属性，施加约束及结构载荷，读取热分析的节点温度结果，进行求解，得到总体应力，从而应用后处理器展示应力和变形等结果。
         工况1～工况8的热-结构耦合分析结果，即等效应力（SEQV）和总体位移（USUM），列于表3中。

         针对不同温度和压力，工况1、工况3、工况5的应力云图如图3～图5所示。

         工况1的位移云图如图6所示。

         在图3、图4及图5中，应力沿水平法兰由里至外逐渐增大，在阀体其他部位应力分布比较均匀，且较小。在图6中，位移沿水平法兰由里至外逐渐增大；在竖直方向，阀体从下往上位移逐渐增大，且在阀盖上达到最大。

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         图7所示为在2.8MPa内压下最大等效应力随温度变化的趋势，图8所示为在375℃下最大等效应力随内压变化的趋势。由图7、图8以及图3～图6的求解表明如下几点。
         1）阀体模型在工况5下的最大等效应力为123MPa，是所有工况中最大值；工况1和工况3下的最大等效应力分别为40.9MPa和98.1MPa。三种工况下的最大等效应力均发生在水平法兰的内表面（见图5）。
         2）阀体在工况1下的最大变形量为1.029mm，在工况3下的最大变形量为3.732mm，在工况5下的最大变形量为5.9mm，最大位移发生在阀盖末端（如图6所示）。
         3）阀体的整体等效应力随温度呈不断上升的趋势，且等效应力随温度上升成倍地增大。然而当温度一定时，压力由1MPa上升到3.5MPa时应力下降了5MPa，这是由于温度一定时工作压力在一定范围内的升高会对设备起到一定的保护作用。
         1.6  闸板开闭对阀体结构应力的影响
         控制闸板用于调节或控制流量，需与阀体内部进出口直管段端部密封接触，其密封性通过密封预紧力保证。依据阀体的实际形状及功能，预紧力的计算公式如下。
         预紧状态下垫片的最小压紧力FG为：

         式中：DG为垫片的平均直径，mm；k0、k1为常数，k0=0.8bD，k1=bD+5，bD为垫片宽度，mm；KD为常温下垫片材料的变形阻力，N；KDt为设计温度下垫片材料的变形阻力，N；p为设计压力，MPa；fs为密封安全系数，取值为1.2。
         由阀体的结构尺寸及操作条件知：DG=400mm，bD=40mm，p取3.5MPa，金属垫片材料的变形阻力KD和KDt如表4所示。

         利用式（2）、式（3）和式（4）计算得：

         密封环面积
         其中：r1为密封环内径，r1=0.19m；δ为密封环的径向 宽度，δ=0.03m。进出口水平直管内截面S2=πr12=0.113m2；在切断密封时，折算成施加在密封环上的压力为：P1=S2p/S1=9.952MPa，取P1=10MPa；操作状态下最小压紧力Fp所产生的压应力P2=Fp/S1=5.592MPa，取P2=6MPa；在操作状态下对流量进行切换时，阀体与密封环之间的相互作用压力P=P1+P2=16MPa。将此压力施加在进出口直管段的密封环面上，并对模型进行调整，直管段有内压的等效应力云图如图9所示，直管段无内压的等效应力云图如图10所示。

         由图9和图10所示可知，在相贯处出现应力集中，在阀体其他部位应力分布均匀，且较小。
         两种工况的模拟结果显示，在内压作用下，阀体进出口直管段与腹腔相贯的内表面处（见图9）应力最大，达到36.3MPa；相贯处的外表面在两种工况下的应力十分接近，都在32MPa左右；对比表2工况阀体外表面的等效应力情况，闸板的开闭会使阀体外表面的应力产生变化。同时，腹腔内表面中间部位的应力也增大，从10MPa增大到25MPa，增幅达150%，这说明闸板闭合对阀体的结构应力产生了显著的影响。
         2 结语
         通过对阀体进行有限元分析，可得到如下结论。
         1）阀体模型的热-结构耦合分析结果表明，阀体应力分布不均匀，在阀体相贯处形成应力集中，极易产生断裂破坏。针对以上情况，建议在应力集中的阀体相贯处，增加阀体的厚度，可以减小应力集中。
         2）控制闸板闭合时，会在进出口直管段与阀体相贯处产生较高的应力集中。