基于有限元的锻钢加氢阀阀体通用化研究

 申  彪

 (南通职业大学汽车与交通工程学院，江苏  南通  226007)

摘要：针对锻钢加氢阀阀体制造成本高、生产周期长的问题，以口径为10"、压力级为l 500 Lb和2 500 Lb两Y型锻钢截止阀为例，对相同口径不同压力级的锻钢阀体进行了通用化创新设计。采用有限元分析软件Patran进行静力学分析，得到两阀体在受力最大工况时各个方向的应力情况，验证了阀体零件通厢化设计的合理性与可行性。

关键词：阀体；通用化研究；有限元中图分类号：TP391.7

0引言

  加氢技术是21世纪有效利用石油资源、保护环境、实现炼油工业可持续发展战略的重要措施，近些年，加氢技术在我国持续快速发展，加速实现加氢装置——阀门的国产化已迫在眉睫。阀体是加氢阀最关键的受力零件，其结构设计的合理性和制造的可靠性直接决定了锻钢加氢阀的国产化进程。

 阀体锻件结构的样式是锻钢加氢阀开发时遇到的最大问题，多向模技术应用于阀体上在国外已经有很长时间，但国内最近几年才刚刚兴起，且基本集中在小尺寸阀体上，6”以上基本没有涉及。多向模制造成本非常昂贵，单个阀门厂小批量生产不能承受过高的模具费，因此当前国内加氢阀阀体锻件多采用半自由锻。针对半自由锻生产周期较长、所用材料的成本较高等问题，研究相同口径不同压力级的锻钢阀阀体的通用化设计是很有必要的，这样可以使口径相同但是压力级不相同的阀体轮廓可以采用相同的通道及中腔外径。利用这种设计方法，实现锻模模腔的通用化，在生产不同压力级的阀体锻件时，只需改变下料尺寸和冲孔的冲头就可以成型，极大地降低了模具的费用。本文以10”压力级分别为1 500 Lb和2 500 Lb两Y型锻钢截止阀（10”GYPF25BY、10”GYPF45BY型锻钢截止阀）为例，按照《法兰、螺纹和焊连接的阀门》等标准进行阀体壁厚计算，研究阀体内径与外径之间的关系，对阀体的通道外径及中腔外径进行通用化创新设计，并用Patran分析阀体工作时受力及变形情况，验证阀体零件通用化设计的合理性与可行性。

1阀体通用化设计

1.1基本参数

 阀门品种：Y型锻钢截止阀。

 技术参数：公称通径为10”；公称压力分别为2 500 Lb(42 M Pa)和4 500 Lb(76 M a).

1.2  阀体壁厚确定

 依据ASME B16. 34- 2013强制性标准的附录Ⅵ《最小壁厚的基本公式》，10”GYPF25BY和10”GYPF45BY型锻钢截止阀阀体壁厚计算数据如表1、表2所示。

1.3  阀体通道外径、中腔外径尺寸设计

 依据阀体壁厚的设计尺寸，确定了阀体通道外径、中腔外径尺寸。考虑阀体锻造的可行性和经济性，依据长期设计经验，对10”GYPF25BY、10”GYPF45BY阀体通道外径及中腔外径实施统一，具体尺寸见表3。

2  阀体有限元模型的强度分析

2.1  10"GYPF25BY阀体强度分析

10"GYPF25BY阀体三维模型如图1所示。

 已知阀体内压为42 M Pa，阀体材料为A105，材料屈服强度≥250 M Pa，合格供应商材质报告中的屈服强度为360 M Pa，泊松比为0.30，弹性模量为202 G Pa，抗拉强度≥485 M Pa。

 分析时设置边界条件如下：①通道两端口焊接无限长管道，尺寸为Ф273 mm、Ф177 mm；②A-A面自密封部位受42 M Pa内压力，阀盖自密封产生的径向分力为4 636.6 k N，自紧密封圈对阀体的比压为212.4 M Pa；③B-B面承受内压引起的轴向力及预紧力为2 664.7 k N;④8-1 1／2-8UN（美制统一螺纹，下同）螺纹处承受阀瓣关闭时的作用力为1  073.6 k N。

 阀体是带圆孔的锻件，各连接处有过渡圆角、倒角，其结构相对复杂，为了便于计算，对阀体三维模型作适当简化口1。在MSC'N Patran软件中对模型划分网格，根据边界条件加载位移以及压力约束，输入阀体的泊松比以及弹性模量，然后调用Nastran求解器进行线性求解，可得到10”GYPF25BY阀体的应力云图，如图2所示。

2.2  10"GYPF45BY阀体强度分析

 10"GYPF45BY阀体三维模型如图3所示。已知阀体内压为76 M Pa，阀体材料为304，材料屈服强度≥235 M Pa，合格供应商材质报告中的屈服强度为323 M Pa，抗拉强度≥515 M Pa，弹性模量为195 G Pa，泊松比为0. 31。

 分析时设置边界条件如下：①通道二端口焊接无限长管道尺寸为Ф273 mm、Ф169 mm；②A-A自密封部位受76 M Pa内压力；③4-1 5/8-8UN螺纹处承受填料的压紧力为1 165.4 k N;④8-1 1／2-8UN螺纹处承受阀瓣关闭时的作用力为1153 k N。

 采用与10"GYPF25BY同样的求解步骤，得到的10"GYPF45BY阀体的应力云图如图4所示。

3结果分析

 由图2可知，阀体工作时承受的最大应力为170M Pa，比该零件所用材料的屈服极限250 M Pa小，更是远远小于合格供应商材质报告中的屈服强度360M Pa，安全系数为2.1，且绝大多数部位的应力小于102 M Pa．因此可以说，这个阀体的结构是安全可靠的，可以承受工作时的外部载荷。

 由图4可知，阀体工作时承受的最大应力是222M Pa，比零件所用材料的屈服极限235 M Pa小，小于合格供应商材质报告中的屈服强度360 M Pa，安全系数为1.5，且绝大多数部位的应力小于111 M Pa，因此可以说，这个阀体的结构是安全可靠的，可以承受工作时的外部载荷。

4结束语

 通过有限元分析可知，两种同口径不同压力的锻钢加氢阀阀体工作时产生的最大应力低于合格供应商材质报告中的屈服强度，安全系数达到1.5以上，能承受高压负荷，满足高危工况下强度要求，验证了阀体零件通用化设计的合理性与可行性。锻钢加氢阀阀体通用化设计，为当前实现国产锻钢加氢阀提供了一种方法，为我国后续广泛使用多向模技术提供了一种途径。