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 申  彪

 (南通職業(yè)大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，江蘇  南通  226007)

摘要：針對(duì)鍛鋼加氫閥閥體制造成本高、生產(chǎn)周期長(zhǎng)的問題，以口徑為10"、壓力級(jí)為l 500 Lb和2 500 Lb兩Y型鍛鋼截止閥為例，對(duì)相同口徑不同壓力級(jí)的鍛鋼閥體進(jìn)行了通用化創(chuàng)新設(shè)計(jì)。采用有限元分析軟件Patran進(jìn)行靜力學(xué)分析，得到兩閥體在受力最大工況時(shí)各個(gè)方向的應(yīng)力情況，驗(yàn)證了閥體零件通廂化設(shè)計(jì)的合理性與可行性。

關(guān)鍵詞：閥體；通用化研究；有限元中圖分類號(hào)：TP391.7

0引言

  加氫技術(shù)是21世紀(jì)有效利用石油資源、保護(hù)環(huán)境、實(shí)現(xiàn)煉油工業(yè)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要措施，近些年，加氫技術(shù)在我國(guó)持續(xù)快速發(fā)展，加速實(shí)現(xiàn)加氫裝置——閥門的國(guó)產(chǎn)化已迫在眉睫。閥體是加氫閥最關(guān)鍵的受力零件，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性和制造的可靠性直接決定了鍛鋼加氫閥的國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程。

 閥體鍛件結(jié)構(gòu)的樣式是鍛鋼加氫閥開發(fā)時(shí)遇到的最大問題，多向模技術(shù)應(yīng)用于閥體上在國(guó)外已經(jīng)有很長(zhǎng)時(shí)間，但國(guó)內(nèi)最近幾年才剛剛興起，且基本集中在小尺寸閥體上，6”以上基本沒有涉及。多向模制造成本非常昂貴，單個(gè)閥門廠小批量生產(chǎn)不能承受過高的模具費(fèi)，因此當(dāng)前國(guó)內(nèi)加氫閥閥體鍛件多采用半自由鍛。針對(duì)半自由鍛生產(chǎn)周期較長(zhǎng)、所用材料的成本較高等問題，研究相同口徑不同壓力級(jí)的鍛鋼閥閥體的通用化設(shè)計(jì)是很有必要的，這樣可以使口徑相同但是壓力級(jí)不相同的閥體輪廓可以采用相同的通道及中腔外徑。利用這種設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)鍛模模腔的通用化，在生產(chǎn)不同壓力級(jí)的閥體鍛件時(shí)，只需改變下料尺寸和沖孔的沖頭就可以成型，極大地降低了模具的費(fèi)用。本文以10”壓力級(jí)分別為1 500 Lb和2 500 Lb兩Y型鍛鋼截止閥（10”GYPF25BY、10”GYPF45BY型鍛鋼截止閥）為例，按照《法蘭、螺紋和焊連接的閥門》等標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行閥體壁厚計(jì)算，研究閥體內(nèi)徑與外徑之間的關(guān)系，對(duì)閥體的通道外徑及中腔外徑進(jìn)行通用化創(chuàng)新設(shè)計(jì)，并用Patran分析閥體工作時(shí)受力及變形情況，驗(yàn)證閥體零件通用化設(shè)計(jì)的合理性與可行性。

1閥體通用化設(shè)計(jì)

1.1基本參數(shù)

 閥門品種：Y型鍛鋼截止閥。

 技術(shù)參數(shù)：公稱通徑為10”；公稱壓力分別為2 500 Lb(42 M Pa)和4 500 Lb(76 M a).

1.2  閥體壁厚確定

 依據(jù)ASME B16. 34- 2013強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)的附錄Ⅵ《最小壁厚的基本公式》，10”GYPF25BY和10”GYPF45BY型鍛鋼截止閥閥體壁厚計(jì)算數(shù)據(jù)如表1、表2所示。

1.3  閥體通道外徑、中腔外徑尺寸設(shè)計(jì)

 依據(jù)閥體壁厚的設(shè)計(jì)尺寸，確定了閥體通道外徑、中腔外徑尺寸�？紤]閥體鍛造的可行性和經(jīng)濟(jì)性，依據(jù)長(zhǎng)期設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)10”GYPF25BY、10”GYPF45BY閥體通道外徑及中腔外徑實(shí)施統(tǒng)一，具體尺寸見表3。

2  閥體有限元模型的強(qiáng)度分析

2.1  10"GYPF25BY閥體強(qiáng)度分析

10"GYPF25BY閥體三維模型如圖1所示。

 已知閥體內(nèi)壓為42 M Pa，閥體材料為A105，材料屈服強(qiáng)度≥250 M Pa，合格供應(yīng)商材質(zhì)報(bào)告中的屈服強(qiáng)度為360 M Pa，泊松比為0.30，彈性模量為202 G Pa，抗拉強(qiáng)度≥485 M Pa。

 分析時(shí)設(shè)置邊界條件如下：①通道兩端口焊接無限長(zhǎng)管道，尺寸為Ф273 mm、Ф177 mm；②A-A面自密封部位受42 M Pa內(nèi)壓力，閥蓋自密封產(chǎn)生的徑向分力為4 636.6 k N，自緊密封圈對(duì)閥體的比壓為212.4 M Pa；③B-B面承受內(nèi)壓引起的軸向力及預(yù)緊力為2 664.7 k N;④8-1 1／2-8UN（美制統(tǒng)一螺紋，下同）螺紋處承受閥瓣關(guān)閉時(shí)的作用力為1  073.6 k N。

 閥體是帶圓孔的鍛件，各連接處有過渡圓角、倒角，其結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，為了便于計(jì)算，對(duì)閥體三維模型作適當(dāng)簡(jiǎn)化口1。在MSC'N Patran軟件中對(duì)模型劃分網(wǎng)格，根據(jù)邊界條件加載位移以及壓力約束，輸入閥體的泊松比以及彈性模量，然后調(diào)用Nastran求解器進(jìn)行線性求解，可得到10”GYPF25BY閥體的應(yīng)力云圖，如圖2所示。

2.2  10"GYPF45BY閥體強(qiáng)度分析

 10"GYPF45BY閥體三維模型如圖3所示。已知閥體內(nèi)壓為76 M Pa，閥體材料為304，材料屈服強(qiáng)度≥235 M Pa，合格供應(yīng)商材質(zhì)報(bào)告中的屈服強(qiáng)度為323 M Pa，抗拉強(qiáng)度≥515 M Pa，彈性模量為195 G Pa，泊松比為0. 31。

 分析時(shí)設(shè)置邊界條件如下：①通道二端口焊接無限長(zhǎng)管道尺寸為Ф273 mm、Ф169 mm；②A-A自密封部位受76 M Pa內(nèi)壓力；③4-1 5/8-8UN螺紋處承受填料的壓緊力為1 165.4 k N;④8-1 1／2-8UN螺紋處承受閥瓣關(guān)閉時(shí)的作用力為1153 k N。

 采用與10"GYPF25BY同樣的求解步驟，得到的10"GYPF45BY閥體的應(yīng)力云圖如圖4所示。

3結(jié)果分析

 由圖2可知，閥體工作時(shí)承受的最大應(yīng)力為170M Pa，比該零件所用材料的屈服極限250 M Pa小，更是遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于合格供應(yīng)商材質(zhì)報(bào)告中的屈服強(qiáng)度360M Pa，安全系數(shù)為2.1，且絕大多數(shù)部位的應(yīng)力小于102 M Pa．因此可以說，這個(gè)閥體的結(jié)構(gòu)是安全可靠的，可以承受工作時(shí)的外部載荷。

 由圖4可知，閥體工作時(shí)承受的最大應(yīng)力是222M Pa，比零件所用材料的屈服極限235 M Pa小，小于合格供應(yīng)商材質(zhì)報(bào)告中的屈服強(qiáng)度360 M Pa，安全系數(shù)為1.5，且絕大多數(shù)部位的應(yīng)力小于111 M Pa，因此可以說，這個(gè)閥體的結(jié)構(gòu)是安全可靠的，可以承受工作時(shí)的外部載荷。

4結(jié)束語

 通過有限元分析可知，兩種同口徑不同壓力的鍛鋼加氫閥閥體工作時(shí)產(chǎn)生的最大應(yīng)力低于合格供應(yīng)商材質(zhì)報(bào)告中的屈服強(qiáng)度，安全系數(shù)達(dá)到1.5以上，能承受高壓負(fù)荷，滿足高危工況下強(qiáng)度要求，驗(yàn)證了閥體零件通用化設(shè)計(jì)的合理性與可行性。鍛鋼加氫閥閥體通用化設(shè)計(jì)，為當(dāng)前實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)鍛鋼加氫閥提供了一種方法，為我國(guó)后續(xù)廣泛使用多向模技術(shù)提供了一種途徑。