基于有限元技術(shù)實現(xiàn)加氫閥閥體的結(jié)構(gòu)設(shè)計

　　針對加氫閥高危工況，設(shè)計了閥體整體鍛造結(jié)構(gòu)。針對閥體材料、流道形式、整體鍛造結(jié)構(gòu)對閥體質(zhì)量影響的復(fù)雜性，采用有限元分析軟件Patran進行強度分析，得到該閥體在最大工況時各個方向的應(yīng)力和變形，驗證了閥體零件結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性，為特殊閥門閥體的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了一種方法，也為后續(xù)的優(yōu)化設(shè)計工作提供了依據(jù)。

　　引言

　　加氫閥是用于介質(zhì)中含有工業(yè)氫的易燃、易爆場合的特殊閥門�；�于加氫閥的高危工況，目前國內(nèi)石化行業(yè)基本采用進口高壓加氫閥門，為了加快國產(chǎn)加氫閥的進程，確保加氫閥的質(zhì)量，采用先進的有限元技術(shù)對加氫閥關(guān)鍵零件如閥體進行結(jié)構(gòu)設(shè)計顯得尤為必要。本文以某閘閥為例，依據(jù)API600等美國石油學(xué)會標(biāo)準(zhǔn)及以色列石油公司等客戶要求，提出了加氫閥閥體的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，針對閥體材料、流道形式、整體鍛造結(jié)構(gòu)對閥體質(zhì)量影響的復(fù)雜性，利用SolidWorks建立了閥體的三維實體模型，給出了閥體最大工況時的邊界條件，使用有限元分析軟件MSC.Patran對其進行了強度分析，獲得該閥體在各個方向的受力和變形，得到閥體結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力部位，驗證了閥體零件設(shè)計的合理性。

1、閥體結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1、基本參數(shù)

　　閘閥的技術(shù)參數(shù)如下：

　　公稱通徑：8英寸，即203.2mm;

　　公稱壓力：1500Lb，即25MPa;

　　適用溫度：-29℃～+427℃。

1.2、閥體材料及熱處理

　　在滿足氫腐蝕的基礎(chǔ)上，依據(jù)Couper曲線中高溫H2S+H2對各種鋼材的腐蝕率選擇適宜的閥體材料，如WC6(F11)、WC9(F22)、F321、F304、A105N等。依據(jù)ASMEB16.34及客戶訂單要求，加氫裝置閥門材料一般選用A105N、F22、F321。其中A105N材料的主要化學(xué)成分為：C的質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤0.23%、P的質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤0.035%、S的質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤0.025%;其熱處理狀態(tài)為正火。F321的熱處理狀態(tài)為固溶+(850～870)℃正火處理。F22鍛件須為A182F22Class3，抗拉強度不超過690MPa，熱處理為正火+730℃回火。

1.3、閥體的結(jié)構(gòu)

　　閥體采用整體鍛造結(jié)構(gòu)，組織致密，表面質(zhì)量好。閥體的流道采用全通徑式設(shè)計，其流道孔徑與閥門公稱通徑基本相同。閥體壁厚、閥體端法蘭、結(jié)構(gòu)長度等結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計依據(jù)API600《鋼制閘閥—法蘭連接或?qū)�焊端、螺栓連接閥蓋》及ASMEB16.34《閥門—法蘭連接端、螺紋連接端和對焊端》等標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。

　　閥體零件圖如圖1所示。

圖1 閥體零件簡圖

2、閥體有限元模型的強度分析

2.1、已知條件

　　加氫閥閥體的材料選用A105N，材料屈服強度≥250MPa，合格供應(yīng)商材質(zhì)報告中的屈服強度為360MPa，抗拉強度≥485MPa，彈性模量為202GPa，泊松比為0.30。

　　閥體內(nèi)壓為25MPa。

2.2、邊界條件

　　(1)通道二端口焊接無限長管道尺寸為Φ219.1mm×Φ174.5mm。

　　(2)A-A自密封部位受25MPa內(nèi)壓力以及閥蓋自密封產(chǎn)生的徑向分力2221.6kN，自緊密封圈對閥體的比壓為102.7MPa，閥蓋與閥體密封連接后，可作為中間剛性板。

　　(3)Tr270×6梯形螺紋面承受介質(zhì)壓力為1276.8kN。

　　(4)5/8-11UNC螺紋處承受閘板關(guān)閉時的作用力為299.8kN。

　　(5)閥體中腔與通道交匯中心，受沿通道軸線方向閘板與閥座的密封力為402.6kN。

2.3 結(jié)構(gòu)強度分析

　　2.3.1、閥體有限元模型的建立

　　加氫閥閥體零件為帶圓孔的鍛件結(jié)構(gòu)，各連接處有過渡圓角、倒角，其結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，所以在實體建模時應(yīng)對模型進行必要的簡化。根據(jù)圣維南原理，對閥體的部分局部特征如倒(圓)角、螺釘孔等進行了適當(dāng)?shù)暮喕�，簡化后利用SolidWorks建立閥體的三維模型，如圖2所示。

圖2 閥體三維模型圖

　　2.3.2、劃分網(wǎng)格

　　采用Patran中TetMesh網(wǎng)格生成器，用GlobalEdge Length方法控制網(wǎng)格的疏密，用10節(jié)點四面體單元劃分節(jié)點和單元，完成閥體網(wǎng)格的劃分。

　　2.3.3、加載位移和壓力的約束

　　按照邊界條件的要求，在MSC.Patran　Loads/BCs模塊下完成閥體邊界條件的加載，并在Materials和Proper模塊下完成閥體材料彈性模量和泊松比的設(shè)定。加載完后的有限元模型如圖3所示。

圖3 閥體有限元模型圖

　　2.3.4、結(jié)果求解

　　在Analysis模塊下，調(diào)用Nastran求解器進行線性求解，可得閥體的應(yīng)力云圖，如圖4所示。

圖4 閥體應(yīng)力云圖

3、結(jié)果分析

　　從圖4中可以清晰地發(fā)現(xiàn)，在載荷作用下，該零件工作時產(chǎn)生的最大應(yīng)力為220MPa，低于材料的屈服極限250MPa，低于合格供應(yīng)商材質(zhì)報告中的屈服強度360MPa，其安全系數(shù)達到1.6;由圖4中還可看到，大部分應(yīng)力在118MPa以下，只有在閥體中腔與通道交匯處產(chǎn)生了局部的應(yīng)力集中，但低于材料的屈服極限250MPa。通過以上分析結(jié)果可以得出結(jié)論，該零件的結(jié)構(gòu)合理，選擇的材料是可靠的，能夠承受工作時的載荷。

4、結(jié)束語

　　(1)基于有限元技術(shù)實現(xiàn)加氫閥閥體的結(jié)構(gòu)設(shè)計，為現(xiàn)階段鍛鋼加氫閥國產(chǎn)化提供了一種方法，為我國多向模技術(shù)推廣提供了一種途徑。

　　(2)通過有限元分析可知該閥體零件工作時產(chǎn)生的最大應(yīng)力為220MPa，低于材料的屈服極限250MPa，低于合格供應(yīng)商材質(zhì)報告中的屈服強度360MPa，可承受高壓負荷，滿足高危工況下的強度要求。

　　(3)針對閥體材料、流道形式、整體鍛造結(jié)構(gòu)對閥體質(zhì)量影響的復(fù)雜性，在加氫閥閥體結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，引入有限元技術(shù)，為高溫高壓等環(huán)境苛刻條件下的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了一種方法，也為后續(xù)的優(yōu)化設(shè)計工作提供了依據(jù)。