CN105221782A - 大口径全焊接球阀密封性能有限元分析建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种大口径全焊接球阀密封性能有限元分析建模方法，S1、对焊接球阀球垫建立有限元模型；S2、对焊接球阀球体建立有限元模型；S3、将S1中建立的球垫模型、S2中建立的球体模型进行装配，得到装配模型；S4、采用有限元工具对S3得到的装配模型进行接触关系设定，球阀球垫与球体之间的接触面设为接触关系；S5、采用有限元工具对S3得到的装配模型进行单元划分，得到单元模型；S6、采用有限元工具在单元模型上施加边界条件和载荷，然后用有限元工具对单元模型进行应力分析，得到球阀球体与球垫之间密封面应力的有限元分析结果。本发明能同时模拟结构、热、流体以及各种物理场间的耦合效应，具有较高精度和评估价值。

Description

大口径全焊接球阀密封性能有限元分析建模方法

技术领域

本发明涉及一种球阀密封性能有限元分析建模方法，具体涉及一种大口径全焊接球阀密封性能有限元分析建模方法。

背景技术

全焊接球阀可广泛应用在城市供热或天然气管道上，其中的密封性能分析是一项很重要的工作。传统分析采用工程算法，能估计焊接球阀一般的密封性能，但由于球阀密封性能受多种因素影响，密封面接触面积和受力变化对密封性能的好坏具有决定性的影响，这一点工程算法无法精确计算；由理论公式计算的密封比压为平均密封比压值，不能真实反映密封比亚值的分布。

发明内容

本发明的目的是提供一种大口径全焊接球阀密封性能有限元分析建模方法，能同时模拟结构、热、流体以及各种物理场间的耦合效应，具有较高精度和评估价值。

本发明提供了如下的技术方案：

一种大口径全焊接球阀密封性能有限元分析建模方法，包括如下步骤：

S1、对焊接球阀球垫建立有限元模型；

S2、对焊接球阀球体建立有限元模型；

S3、将S1中建立的球垫模型、S2中建立的球体模型进行装配，得到装配模型；

S4、采用有限元工具对S3得到的装配模型进行接触关系设定，球阀球垫与球体之间的接触面设为接触关系；

S5、采用有限元工具对S3得到的装配模型进行单元划分，得到单元模型；

S6、采用有限元工具在单元模型上施加边界条件和载荷，然后用有限元工具对单元模型进行应力分析，得到球阀球体与球垫之间密封面应力的有限元分析结果。

S1中有限元模型中所使用的参数为球垫的主要关键尺寸以及材料的属性。

S2中有限元模型中所使用的参数为球体的主要关键尺寸以及材料的属性。

S5中采用20节点六面体单元solid95；球垫与球体，采用的接触单元类型为Contac174和Target170。

本发明的有益效果是：采用有限元分析方法分析焊接球阀的密封性能，进行应力分析，具有较高精度和评估价值。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是焊接球阀密封结构示意图；

其中：16.球垫、14.球垫座、18.侧壁O型圈、15.弹簧。

图2是工作时球体和球垫密封比压三维图；

图3是图2的放大图；

图4是工作时球垫面接触密封比压三维图；

图5是球垫和球接触压力轴面图。

具体实施方式

如图1-5所示，实施例：

球阀球垫密封面与球体是接触密封，在弹簧15预紧力作用下，密封面产生初始密封比压，使球垫16与球体压紧，达到密封。工作时，在流体介质压力的作用下，密封球垫16上仍须保持一定的操作密封比压，实现密封。因此需要对工作压力下，阀座密封面(即球垫接触面)密封比压进行分析，判定球阀设计是否满足密封要求。操作压力下，球阀球垫密封面实际工作比压q应满足：

qMF≤q≤[q](1)

其中qMF为密封时密封球垫上的必须比压。

$q_{MF}=1.4*(1.8+0.9PN)/\sqrt{b_m/10}=3.586MPa---\left(2\right)$

(2)式中，材料许用比压：[q]＝15MPa。

由理论公式计算的密封比压为平均密封比压值，不能真实反映密封比亚值的分布，本项目采用有限元方法，模拟实际工况下的密封比压分布。

经过有限元分析，操作压力下，接触面的密封比压云图见图2-5。由云图可知，球垫密封面的周向并不均匀，最低密封比压为4.043MPa(见图4)，最高密封比压为10.881MPa(见图2至图4)，因此当最小密封比压满足要求时才保证密封。

根据上述公式计算：密封面的必须比压为3.586MPa，密封面材料许用比压为15MPa，接触面最低密封比压满足必须比压和许用比压要求，工况1(球阀全开)或工况2(球阀全关)，接触面最高密封比压低于材料的许用比压，因此操作状态下的球阀密封性能满足设计要求。

工况1和工况2：

全开或全关工况，球体、阀体均承受2.5MPa的内压，外接管外端面施加由内压引起的轴向拉应力18.78MPa，在球垫外侧面施加内压以及弹簧预紧等效压力4.08MPa(根据用户提供的弹簧组压紧力计算)。

约束条件为：由于轴对称模型，2个对称面上分别施加对称约束；为了防止模型在Y方向移动，在轴的端面以及阀体接管法兰面施加Y方向位移约束；为了防止球垫产生移动，在球垫外周施加Y方向和Z方向位移约束，允许其在流体流动方向产生变形。

材料及其力学性能见表1：

表1

密封球垫片的力学性能见表2：

表2

本发明对球阀在不同计算工况下和操作状态下球垫片密封比压进行分析。经有限元分析，球垫片密封比压满足必须比压和许用比压要求，因此，球阀密封性能符合要求。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种大口径全焊接球阀密封性能有限元分析建模方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、对焊接球阀球垫建立有限元模型；

S2、对焊接球阀球体建立有限元模型；

S3、将S1中建立的球垫模型、S2中建立的球体模型进行装配，得到装配模型；

S4、采用有限元工具对S3得到的装配模型进行接触关系设定，球阀球垫与球体之间的接触面设为接触关系；

S5、采用有限元工具对S3得到的装配模型进行单元划分，得到单元模型；

S6、采用有限元工具在单元模型上施加边界条件和载荷，然后用有限元工具对单元模型进行应力分析，得到球阀球体与球垫之间密封面应力的有限元分析结果。

2.根据权利要求1所述的大口径全焊接球阀密封性能有限元分析建模方法，其特征在于，S1中有限元模型中所使用的参数为球垫的主要关键尺寸以及材料的属性。

3.根据权利要求1所述的大口径全焊接球阀密封性能有限元分析建模方法，其特征在于，S2中有限元模型中所使用的参数为球体的主要关键尺寸以及材料的属性。

4.根据权利要求1所述的大口径全焊接球阀密封性能有限元分析建模方法，其特征在于，S5中采用20节点六面体单元solid95；球垫与球体，采用的接触单元类型为Contac174和Target170。