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高压大口径长杆式全焊接球阀的抗震性能评价

摘要：本文介绍了一种基于有限元软件Ansys评价高压大口径长杆式全焊接球阀抗震性能的方法。首先应用有限元法对球阀整机进行模态分析，然后计算地震事故工况下球阀承受地震载荷和设计载荷联合作用时的应力，最后依据ASME核电标准进行应力评定校核。为了解大口径长杆式结构球阀的抗震性能，确定其在地震期间和地震后的安全可靠性提供指导。

关键词：全焊接球阀；抗震性能；Ansys；模态分析；应力评定

高压大口径长杆式全焊接球阀广泛应用于西气东输天然气管线，是对高压天然气进行隔离的关键设备。在设计此类球阀时，为了保证球阀在高压条件下安全可靠运行，不仅需要考虑设计载荷组合，还需考虑特殊事故工况下的大风载荷、地震载荷等，以确保球阀在各种恶劣工况下均能正常工作。因此，为了保证球阀在地震载荷和设计载荷组合作用下能保证结构的完整性，必须对其进行抗震鉴定[1]。有限元法作为求解应力场的有效方法，与传统公式法设计相比，具有简单高效的优势，可以不通过试验或通过较少试验完成虚拟产品设计和仿真，不仅能减少产品开发周期，而且极大降低开发成本[2]。

笔者通过Ansys软件对某高压大口径长杆式全焊接球阀整机进行有限元分析。首先，应用有限元法完成球阀整机的模态分析；然后，在确定球阀的第1阶固有频率大于33Hz后，采用等效静力法完成抗震分析，计算其在设计载荷和地震载荷联合作用下的应力；最后，根据ASME核电标准对球阀的关键零部件进行应力校核和评定，分析和验证球阀在SSE地震载荷及设计载荷共同作用下的结构完整性[1]-[3]。

1结构描述

高压大口径长杆式全焊接球阀主要包括阀体、阀盖、阀杆、球体、袖管、支架焊接件、支脚、气液联动执行机构等零部件，由执行机构带动完成快速开关。球阀的阀体和阀盖通过焊接方式与管道相连；球阀支架焊接件分别通过螺栓同阀体和执行机构相连，且部分埋地。球阀总高6384mm，设计温度为20℃，设计压力为10.2MPa,袖管进出口端公称通径为1168mm。气液联动执行机构重量为1996kg，固定支架焊接件上，其重心相对偏高。由于支架焊接件采用细长圆筒体长杆式结构设计，其顶部又安装有较大体积和重量的汽液联动执行机构，使得球阀在垂直于支架方向的刚性变差，即球阀整机的基频降低，容易在地震低频作用下产生共振对球阀造成破坏。

采用SolidWorks对球阀进行三维建模。直角坐标系原点定在球阀流道中心处，将沿着球阀流道的水平方向定为X轴、沿着阀杆向上的竖直方向定为Y轴、垂直于球阀流道方向的水平方向定为Z轴。由于球阀抗震分析主要评价阀门承压部件的结构完整性，所以有限元模型中不对气液联动执行机构进行详细建模，但要考虑其质量在地震工况下对支架的作用。这种情况下，只需将其等效为一个刚体质量点，采用质量单元等效模拟加在支架上，并与支架上平面节点耦合成刚性区域[4]。球阀的三维几何模型剖面图如图1。

图1球阀三维模型剖面图

2有限元分析

球阀的有限元分析分为两个步骤，即模态分析和抗震分析。首先对球阀整体模型进行模态分析，了解球阀整机的动态振动特性，以确定球阀的固有频率和振型[5]。当球阀的基频大于33Hz时，采用等效静力法进行后面的抗震分析；当球阀的基频小于33Hz，则无法避开地震激励的工作频率，不符合抗震设计要求，需要对决定其基频的零部件进行结构优化，如增加支架焊接件的直径、增加阀杆的直径、将直筒型支架焊接件设计为圆台型等，以增加球阀的结构刚度[6]。

抗震分析过程中，首先把大口径长杆式球阀的三维几何模型导入有限元软件Ansys，通过设置力学边界条件和位移边界条件建立球阀有限元模型，然后对其进行求解，最后完成有限元分析后处理，在球阀关键零部件重点关注部位选取评定路径，完成应力线性化，并依据ASME标准完成应力校核。为了抗震分析的结果更保守，在进行建模计算和限值评定时，使用最苛刻的载荷组合（即同时考虑设计载荷及地震载荷的作用）和最严格的应力限值[4]。

由于本球阀主体材料均采用ASME标准规定的材料，为了计算结果和应力评定更合理，选材和应力评定时均依据ASME核电设计规范。ASME设计规范中查得设计温度下球阀主要部件材料特性参数如表1所示。

表1球阀主要部件材料特性参数

部件

名称

材料名称

屈服强度/MPa

许用应力/MPa

阀体

ASTMA350-LF2

250

138

阀盖

ASTMA350-LF2

250

138

阀杆

AISI-4140

294

196

袖管

API5L-X80Q

310

206

球体

ASTMA350-LF2

250

138

支架

ASTMA350-LF2

250

138

3球阀模态分析

模态分析中提取大口径长杆式球阀的前3阶固有频率，球阀前3阶固有频率和振型说明见表2，前2阶模