摘 要：介绍了管线球阀在安装到管线系统中后承受外载荷的类别、施加方式、大小确定方法以及阀体结构强度的安全评定方法，并对管线球阀模型进行有限元数值分析，然后建立弯曲载荷模拟试验测试平台，测试管线球阀在弯曲载荷作用下阀体的实际应力状态和阀门的功能，验证有限元数值分析的正确性。该研究成果为管线球阀的结构强度设计提供了重要指导性意见。

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一、前言

管线球阀应用于大型石油天然气长输管线上，其质量直接关系到国家能源运输的安全，因此对长输管线阀门的要求比通用阀门的要求要高得多，要求阀门具有更高的密封性的同时，最关键的是要有足够的强度和韧性。管线球阀装入管线后，作为管线系统的一个部件，除了承受内部介质压力之外，还要承受外部载荷的影响。分析阀门的阀体在介质压力与外部载荷复合作用下的结构强度，不能通过简单的材料力学的方法来计算，只能通过有限元仿真来验证阀体结构强度的安全性。在有限元分析的基础上，建立开发弯曲载荷模拟试验测试平台，测试管线球阀在弯曲载荷作用下阀体的实际应力状态和阀门的功能，验证有限元数值分析的正确性。该分析与研究，为以后产品的设计和生产提供了可靠的理论依据，对管线球阀在长输管线上可靠运行30年是十分必要的。

二、技术分析

阀门装入管线后，除了承受内部介质压力之外，还可能承受由于地基沉降和自重引起的弯曲力矩M、由于安装和温度变化引起的外部压力载荷Q1和外部拉力载荷Q2。在分析设计中，假设弯曲力矩M、压力Q1和拉力Q2是各自分别独立地施加在球阀上。因此，只考虑一种外力和介质压力的复合作用。

分析阀门阀体在介质压力与外部力矩载荷联合作用下的结构强度，可参考ASMEQME－1《核电厂能动机械设备鉴定》中有关端部加载试验的相关规定：“测试阀门组件应安装在测试固定装置里，端件应能传递端部测试负载。测试布置应使恒定力矩施加在整个阀门长度上，在阀门和连接管道中同时施加满额度测试压力时，阀体至少承受在端盖中产生的正常轴向拉力。施加测试力矩时，应尽可能对测试阀门组件的可操作性产生最不利影响。对于大多数闸阀和球阀，通常考虑在阀杆平面和管道中心线，即弯曲力矩施加于阀杆中心平面，拉力和压力施加于管道中心线。”

因此，弯曲力矩的施加是通过阀杆中心截面，拉力和压力的施加是通过管道的轴线。

阀门的外载荷是将阀门装入管道之后产生的。端部施加的最大外载荷，规定为可施加在阀门上，而不使管道屈服的极限载荷；对外部弯曲力矩，按照ASMEQME－1规定，测试初始外部力矩载荷按ASME第III卷《核动力装置设备建造准则》中规定：

M=F_bS

式中  F_b——结构的截面模数；

S——连接管道中可能产生的最大应力，在此可取管道材料的屈服强度σ_s。

对于压力和拉力，其最大载荷Q可表述为：

Q=FaS

式中   Fa——结构的横截面面积。

由于阀体受内压与外部弯曲载荷复合作用的影响，不能通过简单的材料力学的方法来计算阀体的强度，只能通过有限元仿真来验证阀体结构强度的安全。在阀体结构中，其颈部开孔结构属于典型的总体结构不连续，引起局部应力集中，采用通常的简化公式计算或查表已不能有效分析阀体的结构强度来评定其安全性。在ASMEVIII－2中，给出采用分析设计方法（Design-By-Analysis，DBA），设计的合格性通过考察在各种设计外载荷下的结构行为来进行校核。并提出根据弹性壳体不连续理论（elasticshelldiscontinuitytheory），将弹性应力场（elasticstressfield）分解为一次、二次和峰值等三种不同的应力，然后以相应的应力强度极限来评定结构强度，该方法能准确分析阀体局部应力集中和整体的结构强度。

在ASMEVIII－2中，结构强度的判定均采用应力强度作为判别，即按第三强度理论计算结构当量强度，将弹性应力场可分解为以下主要应力：一次应力（一次总体薄膜应力Pm、一次局部薄膜应力P_L、一次弯曲应力应力P_b）、二次应力Q以及峰值应力F。

由于阀体所承受载荷是非周期性的载荷，使阀体产生破坏的是一次和二次应力，对峰值应力的影响可不予考虑，根据ASMEVIII－2规范要求，只需要校核：

1）一次总体薄膜应力，校核判据条件：Pm≤Sm。

2）一次局部薄膜应力+一次弯曲应力，校核判据条件：P_L+P_b≤1.5S_m。

3）一次局部薄膜应力+一次弯曲应力+二次弯曲应力强度，校核判据条件：P_L+P_b+Q≤3S_m。

以上一次总体薄膜应力，一次局部薄膜应力，一次弯曲应力和二次弯曲应力均按应力强度进行分解，且当以上三个应力强度校核判据条件同时满足，则可判断结构强度安全。Sm是给定材料的许用应力强度。

三、力学模型与有限元数值分析

运用三维实体建模软件SolidWorks对阀体建模，建模过程中根据分析的需要，确定建模的重点部位，在保证不影响模型分析精度的前提下，对原始的三维实体模型进行必要的结构简化，运用HyperMesh进行网格划分。采用一阶四面体单元solid45进行网格划分。选择危险截面把各应力分量沿一条应力处理线进行均匀化和当量线性化处理。

以下按三种不同外载荷分别描述，具体分析过程简化如下：

1）介质压力与外部弯曲力矩复合作用下，阀体结构强度安全评定。建立外部弯曲力矩载荷力学模型（见图1），并对其在内压和外载荷共同作用下进行有限元数值分析（见图2）。

图1 介质压力与外部弯曲力矩载荷力学模型

图2 介质压力与外部弯曲力矩复合作用下阀门与管道应力强度分布

将危险截面作为特征截面位置，并选择应力线性化路径，每条路径位置以及对应的线性化处理结果如图3所示。

图3 线性化处理危险截面

分析可知，此时阀体结构中由于颈部开孔存在局部应力集中，当管道达到最大应力强度状态，根据ASMEQME－1的试验要求以及ASMEIII和ASMEVIII－2的结构应力强度评定方法，阀体结构强度安全。

2）介质压力与外部压力载荷复合作用下，阀体结构强度安全评定。建立外部压力载荷力学模型（见图4），并对其在内压和外载荷共同作用下进行有限元数值分析，如图5所示。

图4 介质压力与外部压力载荷力学模型

图5 介质压力与外部压力载荷复合作用下阀门与管道应力强度分布

分析可知，在介质压力与外部压力载荷复合作用下，当管道达到最大压应力强度状态时，根据ASMEQME－1的试验要求以及ASMEIII和ASMEVIII－2的结构应力强度评定方法，阀体结构强度安全。

3）介质压力与外部拉力载荷复合作用下，阀体结构强度安全评定。建立外部拉力载荷力学模型（见图6），并对其在内压和外载荷共同作用下进行有限元数值分析（见图7）。

图6 介质压力与外部拉力力学模型

图7 介质压力与外部拉力载荷复合作用下阀门与管道应力强度分布

分析可知，在介质压力与外部拉力载荷复合作用下，当管道达到最大拉应力强度状态时，根据ASMEQME－1的试验要求以及ASMEIII和ASMEVIII－2的结构应力强度评定方法，阀体结构强度安全。

三、弯曲载荷模拟试验

有限元数值分析有效的对阀体压力边界的完整性作出安全评估并对阀体的结构设计进行了优化，为验证有限元分析的准确性和阀门的功能，可以通过弯曲模拟试验来验证。图8为伯特利阀门集团自主研发的弯曲模拟试验测试装置。

图8 弯曲试验

通过弯曲试验装置，对管线球阀进行内压和弯曲载荷复合作用下的阀门密封性能检查、测量阀门的开关扭矩、测量阀体上各点的应力是否在允许的范围之内，并与阀体强度的有限元分析相比较，验证数值分析程序的准确性，为建立准确的数值分析程序提供了依据。

四、结语

通过对管线球阀外载荷作用下阀体强度进行有限元数值分析和弯曲载荷模拟试验，可知阀门在装入管线后，在外载荷和内压的共同作用下，管线系统容易发生失效的位置往往出现在阀门与管道相接处或更薄的管道上，阀门的强度设计足够满足相应要求的。应用有限元的分析方法，研究结构薄弱环节，找出危险区域和位置，并进行优化设计，为以后产品的设计和生产提供了可靠的理论依据。