阀体应力分类与强度评定的讨论

    1 前言
        阀门是特殊承压类设备，属于异形压力容器。国内外阀门的设计水平是紧跟压力容器设计技术的发展，API规范中许多技术标准都是引用了ASME标准的。阀体作为阀门的外壳及主要耗材零件占阀门重量的70%，其设计水平对阀门制造成本、工作性能和使用寿命有决定性的影响。应力分析设计法在阀体设计中被采用，尤其是一些高参数和特殊结构阀门。应力分类是应力分析设计的一大特征，ASME规范中给出应力分类的原则和部分典型问题的分类结果，但对于实际的工程问题在规范中不一定都能找到对应的结果，而且规范也没有给出具体的分类方法。如何在掌握应力分类思想的基础上运用一定技巧对实际工程问题中的应力进行分类和评定是实现分析设计的核心也是难点问题。本文就阀门设计中如何运用应力分类思想对阀体进行应力分类和强度评定的问题展开讨论。
        2 应力分类和应力分析设计法
        应力分类概念源于美国ASMEVII-2，是应力分析设计的核心内容，以详细的结构应力分析为基础，根据应力产生的原因、对失效模式所起的作用及应力的分布把应力分为一次应力（Pm、PL和Pb），二次应力Q和峰值应力F，以等安全裕度为原则对不同性质的应力用不同的强度条件加以限制，危险性较小的应力可以比危险性大的应力取更高的许用应力值。相比较于常规阀门设计的单一失效准则，在确定结构的强度限制条件时引入应力分类思想，不同种类的应力服从于不同的强度条件，一方面考虑了可能出现的一些主要失效模式而使设计更安全可靠；另一方面允许局部可控制的塑性区的出现，适当提高了许用应力值，在严格保证安全性的基础上充分发挥材料的承载潜能而使设计更经济，节约材料。  
        3 阀体的应力分析和应力分类
        阀体与圆筒形容器相比，形状复杂，而且不同阀门的阀体形状各异，不可能得到阀体应力计算的精确公式。常规设计中，一般用途的阀门是将阀体简化成直通圆筒，依靠最小壁厚来保证其强度的，不进行详细的应力计算，而根据经验公式得出的壁厚值在综合考虑安全性和经济性方面不一定是最合理的，使设计有一定的盲目性。应力分类要求进行详细的应力计算，得到结构的实际应力分布情况。随着计算科学的发展，有限元法可以有效的对阀体进行应力分析，许多优秀的分析软件也成为我们解决实际工程问题的重要工具。
        阀体是阀门最重要的零件之一，它主要功能是作为工作介质的流通通道和承压部件。工作时阀体内壁承受工作介质的压力，各法兰分别受螺栓力和垫片力的作用，关闭状态时阀座受密封力的作用，除此之外阀体还会受温度载荷作用和工作介质腐蚀影响。在这样复杂的受载情况下，对阀体的应力分布状况首先关注两个问题，一是最大应力出现的部位及大小。二是应力集中问题。应力集中使局部地区出现的高应力降低该区域承载能力，应通过结构优化进行消除。最大应力出现的地方是阀体最危险、需要强度校核的地方，阀体由于结构形状和受载情况不尽相同，最大应力区也不相同。通常在进出口管与阀体中腔分型面附近会出现较大应力，筋板和阀体或法兰连接处、壁厚变化处、直径较大阀体的中腔、阀座底部倒圆角等有形状突变的地方都可能出现应力集中。
        了解阀体应力分布状况后，要对最危险地区进行强度校核，先将应力分为平衡压力与机械载荷所必需的一次应力，满足外部约束条件或自身变形协调所必需的二次应力和由局部结构不连续或局部热影响引起的附加于一次与二次应力之上的峰值应力。按标准，阀体中平衡内压引起的薄膜应力为一次总体薄膜应力Pm，局部区域如进出口管附近由外载荷或内压引起的薄膜应力为一次局部薄膜应力PL，局部结构不连续处的弯曲应力为二次应力Q，总体热应力也属于二次应力Q。典型闸阀阀体应力的分类情况列于表1。

        4 计算实例
        采用ANSYS软件，以某公司闸阀（CLASS900，NPS8）为例对阀体进行详细应力分析计算，根据分析设计应力分类思想对阀体进行强度评定。阀体材料WCB，杨氏弹性模量E=206GPa，泊松比μ=0.25，抗拉极限为482.8MPa，屈服极限为248.3MPa，设计应力强度Sm=165.5MPa。
        4.1 建立阀体实体模型
        本文采用实体建模法，先生成几何模型，再进行网格划分，便于几何上的改进和单元类型的改变，容易实现有限元模型的生成。先采用SolidWorks建立阀体几何模型，然后把模型格式转换导入ANSYS中进行结构静力分析。几何模型建立时，将次要的局部位置进行简化。根据阀体结构、载荷、材料等对称的特点，将研究对象沿对称面剖取一半进行分析（见图1）。

        4.2 阀体有限元模型的建立    
        4.2.1 定义单元属性
        根据阀体的结构和受力特点，采用砖形六面体单元Solid45对模型进行离散，该单元通过8个节点来定义，每个节点有3个沿着xyz方向平移的自由度。单元具有塑性、蠕变、膨胀、应力强化、大变形和大应变能力。
        4.2.2 网格划分
        采用智能网格划分SmartSizing，考虑几何曲率以及线与线的接近程度，将划分尺寸定为5。划分网格后的模型有17850个单元，51384个节点。网格划分结果如图2所示。

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        4.3 边界条件、加载和求解
        根据阀体的受力情况，管法兰端面施加固定约束，剖分面施加无摩擦滑动约束。在阀体与介质接触的内表面施加水压试验23.4MPa压力。加载后进行求解。
        4.4 结果分析
        后处理采用通用后处理器，处理后显示等效应力云图如图3所示。最大应力出现在阀体进出口管内侧与阀体中腔交界处分型面附近，是处于结构形状有突变的地方，与实际失效区域较一致，计算结果具有工程意义。    

        4.5 应力分类与强度评定
        4.5.1 应力分解
        有限元求解得出的是组合应力，要进行应力分析强度评价，先采用等效线性化方法对应力校核线上的应力强度值（当超过屈服点时为名义应力或虚拟应力）进行分解。等效线性化方法是采取静力等效的办法用一个等价的线性化应力分布代替实际应力曲线。在最大应力出现的地方阀体中腔与进口管交界处选取穿过壁厚的应力校核线如图4所示。等效线性化处理结果如图5所示，应力分解后均匀分布的平均应力属于薄膜应力，线性分布的应力属于弯曲应力，还有非线性部分。

        4.5.2 应力分类
        利用内嵌于软件后处理器中的等效线性化把实际应力曲线用静力等效的办法做线性化处理，只分解出薄膜应力、弯曲应力与非线性应力部分，分解出的应力还必须要根据应力产生的原因、作用和应力的分布来分析属于哪个类型。根据ASME规范VII-2，在局部区域，考虑防止产生过大变形而降低传递载荷的能力，由内压或其他机械载荷产生的均匀分布的薄膜应力无论是一次还是二次的都划归为一次局部薄膜应力，同时明确将所有线性分布的弯曲应力划归为二次应力。这样，二次薄膜应力被划归为一次局部薄膜应力，局部弯曲应力虽然按其产生的原因含有一次的成分，但考虑它具有二次应力的一些特点而统统被划为二次应力，从整体考虑是合理的。根据以上分析，按照应力分类的规定，在局部区域，均匀分布的薄膜应力为一次局部薄膜应力PL，它是局部应力区薄膜应力总量，其中包括了Pm，所以在此只校核PL。线性分布的弯曲应力为二次应力。
        4.5.3 强度评定
        提取薄膜应力、薄膜应力+弯曲应力，求取应力强度，按照不同的强度极限进行评定。评定结果如表2所示。可见阀体的设计壁厚能够满足要求，能确保阀门正常运行工况下安全可靠。但总体来看阀体应力水平不高，在保证铸造工艺和腐蚀裕度前提下，应根据应力分布，适当减薄阀体壁厚。

表2 各类应力强度评定结果     （MPa）
        5 结语
        对于阀体这种复杂部件采用应力分析设计，往往能够得到比常规设计更安全、更经济的的结构[16]。用有限元法或其他计算方法得到详细的阀体应力分布状况并没有完成分析设计，还必须把应力进行分类，对不同性质的应力采取不同的限制条件，充分发挥材料承载潜能，才能使设计即安全可靠又有良好的经济性。