气动低温撑开式球面闸阀研制的动力学分析和可靠性研究

    学术看点：对阀门产品在低温工况下的主要零部件进行了动力学分析和可靠性论证，为产品的研制与应用提供了理论依据。

1.动力学分析

    在系统降温过程中，阀门结构会产生非协调的应力和变形，可能会产生过大的应力和变形，影响阀门的密封和启闭。低温撑开式球面闸阀在低温介质中快速启闭时间为2～3s，运动部件惯性力会产生附加载荷。通过动力学的分析和研究，得出阀门的瞬态温度场和瞬态应力，保证阀门处于低温工况下的温度载荷、压力载荷和附加载荷的密封可靠性和压力边界的结构完整性。

    ·瞬态温度场分析

    阀门开启，阀体和阀盖内壁面与液氮（-196℃）进行对流换热，阀体外壁绝热。阀盖外壁与环境进行自然对流换热。阀门内的热量传递过程是液、固两相耦合接触传热，采用流体计算软件耦合计算阀门瞬态温度场分布。阀门对流换热系数如表1所示。

2.可靠性分析

     采用遗传算法优化的BP神经网络建立球面闸阀最大应力预测，并利用获得的预测模型计算采用强度-应力干涉模型，利用matlab编制可靠度及模糊可靠度计算程序，通过蒙特卡洛法抽样10000次得到可靠度计算结果。

·阀体可靠性分析

      阀体约束和载体。对阀体进口端施加固定约束A，出口端施加位移约束C。阀体进、出口端和中腔内壁施加5MPa的设计压力，中法兰止口施加131.889kN的螺栓压紧力和124.820kN的垫片密封力。约束及加载如图13所示。

图13 阀门约束和施加载荷  

    （2）应力分析结果

     由阀门应力场分布看出（图14），在不考虑制造误差时，阀体最大应力为160.4MPa，小于标准规定的许用应力。    

图14 阀门应力分布

    （3）可靠性分析结果

     抽取10000个样本统计得到等效应力图形如图15所示。根据得到的数学模型进行球面闸阀阀体强度可靠度接近99.99%。

图15 等效应力分布图

·闸板可靠性分析

    闸板约束和载荷。对闸板进口端施加固定约束E，出口端施加位移约束F。闸板与介质接触部位壁施加5MPa的设计压力，出口端密封面施加11.3MPa的密封比压和581.780kN的密封力。约束及加载如图16所示。

图16 闸板约束和施加载荷

     (2)应力分析结果

     由闸板应力场分布看出(图17)，在不考虑制造误差时，阀体最大应力为68.359MPa，小于标准规定的许用应力。

图17 闸板应力分布图

     (3)可靠性分析结果

     抽取10000个样本统计得到等效应力图形如图18所示。根据得到的数学模型进行球面闸阀闸板强度可靠度接近99.998%。

图18 等效应力分布