基于ABAQUS的高压球阀球体有限元分析.pdf

2 0 1 3年 2月 第 4 l 卷 第 4期 机床与液压 MACHI NE TOOL HYDRAUL I CS F e b ． 2 01 3 Vo l _ 41 No ． 4 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 3 ． 0 4 ． 0 0 6 基于 A B A Q U S的高压球阀球体有限元分析 刘洋 ，倪威 ，蔚海文 1 ．江汉石油钻头股份有限公 司，湖北武汉 4 3 0 2 2 3 ；2 ．中国海洋石油深圳分公 司， 广 东深圳 5 1 8 0 6 7；3 ．中煤集团山西金海洋能源有限公 司，山西朔州 0 3 6 0 0 0 摘要在球阀的设计制造中，为尽可能地保证产品质量和缩短产品制造周期、延长产品使用寿命 ，在对球体的受力情 况进行理论分析的基础上，对 3种工况下球体的受力情况进行了有限元模拟，并对球体整体应力、最大变形处与最薄弱环 节 做了评价 ，找出整个球体 的应力大小及载荷分 布情 况 ，得 出此类 球阀能够满足强度要求的结论 。 关键词高压球阀；球体；有限元模拟 中图分类号T H 1 3 4 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 3 40 2 1 3 F i n i t e E l e me n t An a l y s i s o f Hi g h P r e s s u r e B a l l Va l v e B a s e d o n A B AQ US LI U Ya n g ， NI W e i ， YU Ha i we n 1 ． K i n g d r e a m P u b l i c L i m i t e d C o m p a n y ，Wu h a n H u b e i 4 3 0 2 2 3 ，C h i n a ； 2． S h e n z h e n Br a n c h o f Ch i n a Na t i o n a l Of f s h o r e Oi l Co r p， S h e n z h e n Gu a n g d o n g 5 1 8 06 7， Chi na； 3 ． C h i n a C o a l G r o u p i n S h a n x i G o l d e n O c e a n E n e r g y C o ． ，L t d ． ，S h u o z h o u S h a n x i 0 3 6 0 0 0 ，C h i n a Ab s t r a c t I n o r d e r t o e n s u r e p r o d u c t q u a l i t y ， e x t e n d p r o d u e t l i f e a n d s h o e n p r o d u c t i o n c y c l e s o f b a l l v a l v e ， t h r o u g h a n a l y z i n g t h e f o r c e c o nd i t i o n o f s p he r e o f b a l l v alv e t h e o r e t i c a l l y， t he f o r c e c o n d i t i o n s o f t he s p he r e u nd e r t h r e e c o n d i t i o n s we r e s i mu l a t e d． Ov e r a l l s t r e s s ，ma x i mu m d e f o r ma t i o n p l a c e a n d t h e we a k e s t l i n k o f t h e s p h e r e we r e e v a l u a t e d ． T h e s t r e s s a n d l o a d d i s t r i b u t i n g o f t h e b a l l v alv e we r e g o t t e n． I t i s s ho wn t h e ba l l v a l v e c a n me e t t h e s t r e n g t h r e q ui r e me n t ． Ke y wo r dsHi g h p r e s s ur e b a l l v a l v e；Sp he r e； F i n i t e e l e me nt s i mu l a t i o n 传统的球阀在使用过程中，常常因为球体与阀座 的配合误差而导致咬伤、卡塞或划伤等问题。为了改 善这些不足 ，现今在西气东输管道设计项 目中使用 了 大 口径 、耐高压 、耐腐蚀 的高可靠性球 阀。而在这种 球 阀的设计制造 中 ，为尽可能地保证产 品质量 、延长 产品的使 用寿命 ，作者采 用有 限元 数值模 拟的方 法 ，对 3种工况下球体的受力情况进行了强度分 析 ，并对整体应力 、最大变形处 、最薄弱环节做 了评 价 ， 这对 预先 检测产 品潜在 的问题 ，改善产 品的可靠 性和安全性 ，减少产 品的制造费用及现场 的设计和使 用具有指导意义 。 1 球体力学分析模型 球体结构为对称的薄壁结构 ，是整个球阀中体积 和质量最大 、承受最高压力 的部件 ，其结构 与材料 质量直接影 响内部应力分布和产 品的安全性 ，当球 阀 工作时 ，球体在开启和关 闭过程 中，管道 内的气体将 会流向中腔 内部，所 以对其 进行强 度分析 十分必 要 。在此 ，选取 3 种 工况下球体的受力情况进行分 析 ，图 1 为某 大型球 阀的结构 图。 1 流道 内有 压力 1 0 MP a ，中腔无压力 由于球阀尚未开启，流人管道内的气体直接作用 在阀座支撑 圈上 ，压 迫 阀座 紧压球 体 产生 预 密封 作 用，管道内的气体将不能通过缝隙进入中腔内部。因 此在分 析 时 ，球 体 上 游 端 在 流 道 内介 质 压 力 1 0 M P a 的作 用下 ，使 阀座支 承圈和 阀座一 起压 向 球体 。 劢 球 体 1 ． 袖 篓 袖 图 1 某型号大 口径球 阀装配 图 2 流道 内压力 1 0 MP a ，中腔 内压力 1 3 ． 3 MP a 在特定的条件下 ，管道内的气体进入中腔 ，这时 收稿 日期 2 0 1 1 1 2 2 6 作者简介刘洋 1 9 8 3 一 ，男，硕士研究生，主要从事石油机械的设计与仿真工作。Em a i l y a n g l i u 8 5 1 0 0 3 1 6 3 ． c o m。 第 4期 刘洋 等 基于 A B A Q U S的高压球阀球体有限元分析 2 3 可以看出球体所受最大应力值为 1 0 0 M P a ，相比球 体材料 的屈服极 限要小得 多，因此 球体 的工作 很 安 全 。 2 ． 2最大变形处分析评价 如 图 9所 示 3种 不 同工 况 下 ，工况 1 、2球体 的最大变形量基本相 同 ，最大位移量 为 0 ． 7 5 m m，变 形量较小 ；工况 3球体 位 移最 大 ，达 到 了 1 ． 7 5 m m， 但是由于该工况下的位移集 中区处在球体的中间部 位，抗压及抗疲劳能力较强 ，因此不会对球体造成损 害，仍能正常工作。 1 20 1 0 0 80 姜 6 0 4O 2 O 0 0 40 0 800 1 200 实 际距 离／ mm a 应 力 曲线 图 鲁 目 趟 实际距离／ ram b 位移曲线图 图9 3种工况下位移集中区曲线图 2 ． 3 薄弱环节处分析评价 球体在凸台处的直径产生了突变 ，工作时，在变 径处有可能产生应力集中，对球阀可能构成损坏 ，因 此了解变径处的应力是非常有必要的。 从 图 1 0可 以看 出 3种工 况下 的球 体应力 都 处 在 4 0～1 0 0 MP a之 间 ，处 在 比较 安 全 的 应 力 范 围 内；第一 、二两种工况下 球体变径处 的位移大小 基本相同 ，都小于 0 ． 4 m m，处在 比较低 的区间 ； 第三种工况 下的位移则相对 比较 大，但 由于该工 况时球体受力变形为对称式 ，因此 ，球 体工作 同 样 安全 。 囊 8。0 趟 2 4 。 0 o 1 一 工况 1 o 400 800 1 20 0 实际距离I m m a 应 力 曲线 图 吕 目 实 际距 离／ ram b 位移 曲线 图 图 1 0 3种工况下变径处曲线图 3结 论 1 阀体有 限元分 析结果 表 明 ，无 论在 1 0 M P a 的工作压力下还是在阀体无袖管时 1 3 ． 3 M P a的试验 压力下，阀体都有足够的强度保证安全。最大应力值 在 阀体 和袖 管 连接 处 ，阀体 的最 大位 移 保持 在 0 ． 7 5 mm 以下⋯ 。 2 ． 从对球 体在 3种 不 同压力 载荷 作 用下 的分 析结果可以得出在 3种不同工况下，球体所受到的 应力值变化不大 ，都处在 1 0 0 MP a以下 ；3种 情况下 球体的位移量都处在一个很小的范围，对球阀的密封 影响不会太大 。因此 ，在上 述 3种 不 同实际 工况下 ， 球体工作状态都 比较安全 。 参考文献 【 1 】 王建华． 固定球阀球体的分析与研究 [ J ] ． 通用机械制 造 ， 2 0 0 9 3 9 6 9 8 ． 【 2 】尹襄， 周小南， 夏晓坤， 等． 大型球阀制造技术研究及应 用[ J ] ． 东方电机， 2 0 0 9 2 1 5 2 6 ． 【 3 】林元茂． 管道球阀故障及应对措施[ J ] ． 茂名学院学报 ， 2 0 0 7， 1 7 4 2 1 2 4 ． 【 4 】邬佑靖． 管线球阀的技术现状及发展方 向[ ]阑r ] ， 2 0 0 7 6 2 2 3 3 ． 【 5 】高泽普， 张成旺， 史红军． 不锈钢球阀密封结构探讨 [ J ] ． 机床与液压， 2 O 0 4 1 O 1 9 81 9 6 ． 【 6 】李树勋， 把桥环， 贺连娟， 等． 天然气长输管线全焊接锻 造球阀的密封研究[ J ] ． 润滑与密封， 2 o o 7 ， 3 2 1 1 7 2 1 7 4． 【 7 】矫永臣， 曲树蓁， 刘永刚． 耐磨耐腐蚀球 阀结构的改进 [ J ] ． 管道技术与设备， 2 0 o 9 1 2 93 1 ． 上接 第 1 4 5页 形式， 不同数控系统厂商对接线的具体要求也不一样， 要根据不同厂家系统的具体要求来选择或制作相应的 数据线； 在实际连接时， 经常会出现数据不通现象 ， 要 仔细分析原 因， 着重检查 D B 9及 D B 2 5接 口是否按照 要求连接。 2 多台机床进行联网时需要多部无线路由器， 为了防止干扰， 无线路由上一般有 1～1 3个频道可以 选 择 ， 相邻路 由器 的信道设置要隔开 3 个 以上 ， 以防造 成干扰 。 4效果 该 院 3 7台数控设 备 通过 无线 方 式 联 网后 ， 大 大 简化 了程序 传 输 步骤 ， 解 决 了以前 学 生 在 机 房 完 成 练习后生成的大量程序难以导入机床进行加工的问 题。这种无线联网方式理论上可以实现在全球任何 一 个 地方与 机床联 网进行 数 据交 换 ， 再结 合 D N C软 件的使用 ， 可 以使机床的使用管理达 到一个新 的水 平 。 2 o 一 ～ J