基于有限元技术实现加氢阀阀体的结构设计.pdf

第 6期 总第 1 8 1 期 2 0 1 3年 1 2月 机 械 工 程 与 自 动 化 MECHANI CAL ENGI NEE RI NG＆ AUTOMATI ON NO ．6 De c ． 文章编号 1 6 7 2 - 6 4 1 3 2 0 1 3 0 6 0 0 7 3 - 0 2 基于有限元技术实现加氢阀阀体 的结构设计鬻 申 彪 ，马敏莉 ，陈崇南 1 ．南通职业大 学 机械 工程 学院．江苏 南通2 2 6 0 0 2 ；2 ． 南通高 中压 阀门有限公司 ，江苏 南通2 2 6 0 0 2 摘要 ；针对加氢阀高危工况 ．设计 了阀体整体锻造结构。针对阀体材 料、流道形 式、整体锻造结构对 阀体 质 量影响的复杂性．采用有限元分析软件 P a t r a n进 行强度分 析，得到该 阀体在最 大工况 时各个方 向的应 力和 变形，验 证 了阀体 零件结构设计 的合理性 ，为特殊阀门阀体 的结构设计提供 了一种方 法，也为后续 的优 化设 计工作提供 了依据。 关键 词 阀体；结构设计 ；有 限元 中图分类号 TH1 3 4 T P 3 9 1 ． 7 文献标识码 A 0 引 言 加氢 阀是用于介质 中含有工业氢 的易燃、 易爆场 合的特殊 阀门。基于加氢阀的高危工况 ， 目前 国内石 化行业基本采用进 口高压加氢阀门， 为了加快 国产加 氢 阀 的进 程 ， 确保加 氢 阀 的质量 ， 采用 先进 的有限元 技 术对加氢 阀关键零件如 阀体进行结构设计显得尤为必 要。本文以某闸阀为例 ， 依据 AP I 6 0 0等美 国石油学 会标准及 以色列石油公司等客户要求 ， 提出了加氢阀 阀体的结构设计方案 ， 针对 阀体材料、 流道形式、 整体 锻造结构对阀体质量影 响的复杂性 ， 利用 S o l i d Wo r k s 建立 了阀体的三维实体模型， 给出了阀体最大工况时 的边界条件， 使用有 限元分析软件 MS C ． P a t r a n对其 进行 了强度分析， 获得该 阀体在各个方 向的受力和变 形， 得到阀体结构的最大应力部位 ， 验证了阀体零件设 计的合理性 。 1 阀体 结构 设计 1 ． 1 基本参数 闸 阀的技术 参数 如 下 公 称通 径 8 英 寸 ， 即 2 0 3 ． 2 mm； 公 称 压力 1 5 0 0 L b ， 即 2 5 MP a ； 适 用温 度 一2 9℃～ 4 2 7℃ 。 1 ． 2阀体材 料及 热 处理 在满足氢腐蚀的基础上， 依据 C o u p e r曲线 中高 温 Hz S H。 对各种钢材的腐蚀率选择适 宜的阀体材 料 ， 如 WC 6 F 1 1 、 WC 9 F 2 2 、 F 3 2 l 、 F 3 0 4 、 A1 0 5 N 等。依据 AS ME B 1 6 ． 3 4及客户订单要求 ， 加氢装置 阀门材料一般选用 A1 0 5 N、 F 2 2 、 F 3 2 1 。其 中 A1 0 5 N 材料的主要化学成分为 C的质量分数≤O ． 2 3 、 P的 质量分数≤0 ． 0 3 5 、 S的质量分数≤0 ． 0 2 5 ； 其热处 理状态为正火。F 3 2 1的热处理 状态为 固溶 8 5 O ～ 8 7 0 ℃正火处理。F 2 2锻件须为 A1 8 2 F 2 2 C l a s s 3 ， 抗 拉强度不超过 6 9 0 MP a ， 热处理为正火7 3 0℃回火。 1 ． 3 阀体 的结 构 阀体采用整体锻造结构， 组织致密 ， 表面质量好。 阀体的流道采用全通径式设计 ， 其 流道孔径与阀门公 称通径基本相 同。阀体壁厚 、 阀体端法兰、 结构长度等 结构尺寸设计依据 AP I 6 0 0 钢制闸阀一法兰连接或对 焊端、 螺栓连接 阀盖 及 AS ME B 1 6 ． 3 4 阀 门一法兰 连接端 、 螺纹连接端和对焊端 等标准的规定 。 阀体 零件 图如 图 1 所 示 。 2 阀体 有 限元模 型的 强度分 析 2 ． 1 已知条件 加氢阀阀体的材料选用 Al O 5 N， 材料屈服强度≥ 2 5 0 MP a ， 合格供应商材 质报告 中的屈服 强度为 3 6 0 MP a ， 抗拉强度≥4 8 5 MP a ， 弹性模量为 2 0 2 G P a ， 泊 松 比为 0 ． 3 0 。 阀体内压为 2 5 MP a 。 2 ． 2边界 条件 1 通道二端 口焊接无 限长管道尺寸 为 O 2 1 9 ． 1 mm X l 7 4 ．5 m m { l}南通职业大学横向科研合作项 目 苏经信 鉴字 [ z o 1 2 3 2 0 0号 收稿 日期 2 0 1 3 0 8 2 6 ；修回 日期 ；2 0 1 3 0 8 2 8 作者简介 申彪 1 9 8 5 一 ，男 ，河南邓州人 ，助教 ，硕士 ，主要从事机械设计、有 限元分析等方面的工作。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 3年 第 6期 机 械 工 程 与 自 动 化 7 7 2 ． 2 ． 3 钢轨 横移 翻 钢机 图 4为 钢轨横移 翻钢机示意图。其将单根钢轨 从链式运输机上托起移送至另一链式运输机上， 并且 将钢轨翻转一个 面， 4个 钢轨横 移翻钢机配合正好将 钢轨翻转 4个面 。由于移送 的钢轨很长， 因此要求各 摆杆必须保持同步动作 ， 保证钢轨各段 同步横移 。翻 转摆杆不动作 时， 摆杆要低 于链 条面， 当不需要 翻钢 时 ， 5个链式运输机 配合 动作 能将钢轨平移运输至下 料辊 道 。 1 一链条 } 2 一固定链轮 } 3 一长轴 ； 4 --张紧链轮 } 5 一导向支架 图 3 链 式运输机示意图 横移翻钢机的传动是电动机驱动与减速机输出端 联结的长轴旋转 ， 带动摆杆和钢轨 摆动并使钢轨翻转 9 O 。 。4个 翻钢机 的结 构基 本一 样 ， 只是 每组摆 杆 的头 部形状随翻转的钢轨断面形状 和尺寸而改变， 每组摆 杆的行程及摆动角度 的变化用编码器控制， 各组摆杆 之间的距离按摆放相同数量的钢轨来确定。 1 一 摆 杆 ； 2 一 长轴 ； 3一轴 承 ； 4 一 支 座 图 4钢轨横移翻钢机示意图 3设备 运行 效果 高铁用百米钢轨四面翻钢检查装置于 2 0 0 6年在 某钢厂顺利投产运行。通过几 年的实践检验 ， 百米钢 轨四面翻钢检查装置使用效果很好 ， 满足 了生产使用 要求， 改善了现场检查的工作条件， 减轻了工人的劳动 强度， 降低了钢轨表面刮伤 ， 提高了检查效率 。 参考 文献 E 1 ] 成 大先． 机械设计手册[ M] ． 北京 化学工业出版社 ， 2 0 0 2 ． A Ne w。_ t y p e Fo u r - s i d e Ti l t i ng I n s p e c t i o n S e t f o r 1 0 0 1 1 1 1 Ra i l s SONG Chu n- y u BERI S En g i ne e r i n g a n d Re s e a r c h Co r p o r a t i o n，Ba O t O U 0 1 4 0 1 0，Ch i n a Ab s t r a c t Th i s p a p e r d e s c r i b e s a n e w t y p e o f f o u r - s i d e t i l t i n g i n s p e c t i o n s e t f o r 1 0 0 m s t e e l r a i l s f o r h i g h - s p e e d r a i l wa y ．Th i s d e v i c e c a n o v e r t u r n t h e s t e e l r a i l s i n s e r i e s f o r wo r k e r s t O c h e c k t h e f o u r s i d e s o f i t ． I n t h i s wa y． i t s o l v e s t h e o r i g i n a l p r o b l e ms o f i n c o n v i n e n c e a n d i n e f f i c i e n c y e x i s t i n g i n t r a d i t i o n a l r a i l s i n s p e c t io n d e s k s ，i m p r o v e s t h e wo r k i n g c o n d i t i o n s o f t h e o n - s i t e i n s p e c t i o n s ， r e d u c e s t h e l a b o r i n t e n s i t y o f wo r k e r s a n d e n h a n c e s t h e p r o d u c t i v i t y a s a wh o l e ． Ke y wo r d s 1 0 0 m r a i l s ；f o u r - s i d e t i l t i n g；i n s p e c t i o n s e t 上 接 第 7 4页 参考文献 [ 1 ] 陈崇 刚 ， 赵建新 ， 郑 其祥 ， 等． S H／ T 3 l 2 9加工高硫原油 重 点装置主要管道设计选材导则E s ] ． 北京 中华人民共和 国国家经济贸易委员会 。 2 0 0 2 ． [ 2 3 黄伟 。 欧长松 ， 陆海漫 ． 等． 龙 门铣 床立柱结构 的有 限元分 析与拓扑优化E J ] ． 机械科学与技术 。 2 0 1 2 。 3 1 1 1 1 9 1 2 1 ． E 3 ] 金 晶， 吴 新跃． 有 限元 网格 划分相关 问题 的分析研究[ J ] ． 计算机辅助工 程。 2 0 0 5 ， 1 4 2 7 5 7 8 ． [ 4 ] 李邦 国， 路华鹏 ， 胡仁喜 ， 等． P a t r a n 2 0 0 6与 Na s t r a n 2 0 0 7 有 限元分析实例 指导 教程 [ M] ． 北 京 机械工 业 出版社 ， 2 00 7． [ 5 ] 李兵． 鱼雷活塞发动机 旋转 配气 阀 阀体 的有 限元分析 [ D ] ． 西 安 西北工业大学 ， 2 0 0 2 8 - 3 2 ． Hy d r 0 g e na t i 0 n Va l v e Bo d y S t r u c t u r e De s i g n Ba s e d o n FEM S HEN Bi a o ，M A Mi n - l i ，CHEN Cho n g - na n。 1 ．S c h o o l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ， Na n t o n g Vo c a t i o n a l Un i v e r s i t y ，N a n t o n g 2 2 6 0 0 2 ，C h i n a ；2 ． N a n t o n g Hi g h 8 L Me d i u m P r e s s u r e Va l v e C o ． ， L t d ．，Na n t o ng 2 2 6 0 0 2，Ch i n a Ab s t r a c t I n l i g h t o f t h e h i g h r i s k c o n d i t i o n s o f h y d r o g e n a t i o n v a l v e ．t h e v a l v e b o d y wa s d e s i g n e d a s a wh o l e f o r g i n g s t r u c t u r e ．Ba s e d o n t h e i n f l u e n c e o f t h e v a l v e b o d y ma t e r i a l ， t h e f l o w c h a n n e l t y p e ，t h e s t r u c t u r e o f t h e v a l v e b o d y o n t h e wh o l e f o r g i n g．a f i n i t e e l e me n t a n a l y s i s wa s c a r r i e d O U t t O g e t t h e d e f o r ma t i o n o f t h e v a l v e i n t h e ma x i mu m c o n d i t i o n s ． Th i s s t u d y v e r i f i e d t h e r e a s o n a b l e n e s s o f t h e s t r u c t u r a l d e s i g n o f t h e v a l v e b o d y ，a n d p r o v i d e d a me t h o d t O d e s i g n t h e v a l v e b o d y ． Ke y wo r d s v a l v e b o d y；s t r u c t u r e d e s i g n ；F EM 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m