大口径球阀的结构优化设计杨茜山东豪迈化工技术引言球阀在短短40年里具有突飞猛进的发展，并且制造工艺和设计手段也都有很大的提高，现在已经广泛应用于国民经济的各个领域，最初的阀门诞生于上世纪50年代，那时球阀刚刚起步，只是应用于简单的截流，但随着国民经济的不断快速的发展，现在的球阀已经广泛应用于化工、石油、水利水电、市政建设等行业，并且在这些行业中起到了至关重要的作用。在众多阀门中，大型球阀由于其结构复杂，参数要求高，及口径大等特点，是得其在设计阶段和生产加工中会遇到很多困难，可以说是球阀中技术含量最高的阀门。但随着国民经济的快速发展，大型球阀以其紧凑、密封可靠、维修方便、泄漏量低、压力等级高等特点，在各个领域对大型球阀的需要越来越多，例如大型水利枢纽和水力发电站等[1]。旋塞阀最初为球阀的雏形，随着旋塞阀的逐步发展成球阀，球阀的密封主体成球体，并且可以围绕着阀杆旋转90°，其开启和关闭亦成90°。由于球阀自由的结构，其可以对高压流体起到密封作用，并且其还具有密封性能好、泄漏量小、结构紧凑，尤其是硬接触密封还具有使用寿命长、维护简便等特点。目前发达国家球阀的使用量在逐年增加，由于其优良的表现使其开始部分取代截止阀、闸阀等阀门[2]。大口径球阀主要应用于水轮机前引水钢管上，活门为球形的阀门，如图1和图2所示。其密封方式是通过压力水作用于移动密封环，移动密封环会抵住活门的密封座，达到密封效果，如图3所示。一般用在水头大于m的水轮机上。由于它的活门为圆筒形，内径和钢管直径相同，过流时水利损失接近于零，因此也别适用于流速高的场合。现代球阀一般都采用卧轴球阀。立轴球阀因结构复杂，下端轴处因积沙易卡，已被淘汰。球阀由阀体、活门及枢轴、密封装置、操作机构、附属设备组成。图1大型球阀外形图图2大型球阀剖面图图3大型球阀密封装置本文对球阀活门及阀体结构进行了静力学分析，基于整体结构设定边界条件，按照实际工况和试验工况分别施加载荷，对活门及阀体的强度、刚度进行了有限元分析，研究活门及阀体的应力大小和分布情况。1有限元模型及应力分析1.1几何模型的建立阀体的实体模型应该反映其实际结构。同时，在保证计算精度的前提下，模型应尽可能简化。因此在建模过程中对一些不影响阀体的总体性能的特征进行简化。因此在建模过程中对一些不影响阀体的总体性能的特征进行简化处理。但简化时要分清主次，需要遵循以下几条原则：（1）选择合理的基准坐标。在建模过程中，选择合理的基准坐标可以减少尺寸的数量，使建模的手段得以简化。（2）忽略一些小的倒角，一些不重要位置的小倒角对阀体结构的变形和应力分布影响很小，可以忽略不计，这样可以节省计算时间。（3）注意建模的顺序。要由内而外，由上而下。（4）合理巧妙的利用模型的对称结构。经过合理简化，建立的模型如图4所示。图4球阀活门几何模型图1.2材料参数活门为焊接活门，其材质为欧洲标准低合金钢强度板S，弹性模量为MPa，泊松比为0.3；屈服强度为MPa，抗拉强度为~MPa。1.3边界条件和载荷此类大型球阀多用于高水头水电站的主进水阀，其作用主要是切断上游水流，此阀门的质量关系到整个电站的安全，因此在出厂前需要做水压试验。试验必须考虑最恶劣的工况，活门水压测试应在球阀关闭位置，并且要承受最大静水压力的1.5倍，此静水压力对应的就是最大上游水位高程与球阀高程的差。本文采用某水电站数据，其上游最大水位高程与球阀安装高程相差米，故在球阀关闭状态时，作用于球阀活门上游测的压力为2MPa压力，其试验压力按1.5倍的额定压力，其数值为3MPa，此压力就是我们要加载到模型上的载荷，如图5所示。图5载荷施加图活门承受的载荷通过活门两侧的耳柄传递到活门上，活门上的载荷再通过球阀阀体传递到埋入基础，因此活门承受的约束即为活门反作用于活门耳柄上的约束，并且耳柄是可以旋转的，故此处耳柄的约束为滚动轴承接触，如图6所示。图6约束施加图2额定压力下活门应力分析本文中球阀由S钢板焊接而成，其杨氏弹性模量E=GPa，泊松比μ=0.3，屈服强度为MPa，抗拉强度为MPa，如按两倍的安全系数，则其需用应力应为[σ]=MPa。在工作压力2MPa下，对活门进行应力及位移的有限元分析。经过计算，我们得到了活门的应力分布云图、位移分布云图，分别如图7、图8所示。通过分布云图，我们可知，在额定工作压力时，活门的最大应力发生在活门内侧靠近枢轴位置，其应力值为.65MPa，可以满足许用应力值。最大位移发生在密封座上下两侧，其位移值为0.46mm，通常我们需要把活门的变形控制在0.DN的范围内，此球阀的DN为mm，即允许变形量为6mm以内，故在额定压力下，变形也满足要求。图7额定压力下等效应力分布云图图8额定压力下变形分布云图3试验压力下活门应力分析在试验压力3MPa下，通过应力分析，得到如图9所示的等效应力分布云图，其最大应力为.97MPa，远远超出许用应力[σ]=MPa。通过试验压力下的变形云图，如图10所示，得出最大位移为0.69mm，故不能满足设计要求。图9试验压力下等效应力分布云图图10试验压力下变形分布云图综上所述，在额定工作压力下进行分析，活门的应力和位移均能满足要。若在试验压力下进行分析，应力和位移不能满足设计要求并且存在危险，若在实际使用过程中会增大球阀的运行风险，降低球阀使用寿命。因此从安全和经济性角度出发，我们需要在活门上布置加强筋板和增加密封座厚度来解决这些问题。4优化后活门模型由于没有筋板的活门不能达到设计要求，因此需要进行加筋处理，筋板布置的位置应合理即可减少应力和位移，又不影响整体结构，因此将筋板添加在密封座内侧，在本文中提供了两种筋板样式，并且进行对比，从中选择更合适的筋板样式。（1）第一种筋板样式为筋板外侧为直边并且与密封座齐平，共添加三层筋板，每层筋板厚度为10mm，筋板之间的间距为mm，如图11所示。图11筋板样式一2）第二种筋板样式为筋板外侧为圆弧形，共添加三层筋板，每层筋板厚度为10mm，筋板之间的间距为mm，如图12所示。图12筋板样式二5优化后结构应力分析本文分别对两种筋板样式进行应力分析，在试验压力下，采用第一种筋板样式的活门的应力由.97MPa下降到.02MPa，下降了9.5%，但仍然没有达到许用应力，如图13所示。活门最大位移由0.69mm下降到0.44mm，下降了21%，如图14所示，位移降低比较显著，达到了对位移的要求。图13筋板样式一应力分布云图图14筋板样式一变形分布云图采用第二种筋板样式的活门的应力由.97MPa下降到.44MPa，如图15所示，下降了32.1%，活门最大应力较第一种方案有大幅度降低，且低于许用应力[σ]=MPa。活门的最大位移也有明显降低，由原先的0.69mm下降到0.39mm，满足设计要求。本文研究的大口径球阀活门受力十分复杂，其外部布置的加强筋结构参数也很多，我们不能盲目的通过增加筋的厚度和横向尺寸来降低活门的应力和位移，这样会增加活门的重量和生产成本；在当活门的重量有要求时，就更有必要对加强筋的结构进行优化，在一定的设计范围内，寻求质量、强度和刚度之间的最优解。参考文献[1]付青林.阀体受力与强度计算公式的理论依据[J].阀门,6,(4):11-12[2]王晓明.大型球阀结构优化及可靠性分析[D].天津大学,:1-30.谢谢阅读联系人：任经理移动电话/传真：-工艺室邮箱：hggybhimile.
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