基于有限元技术实现加氢阀阀体的结构设计

    0 引言

    加氢阀是用于介质中含有工业氢的易燃、易爆场合的特殊阀门。基于加氢阀的高危工况，目前国内石化行业基本采用进口高压加氢阀门，为了加快国产加氢阀的进程，确保加氢阀的质量，采用先进的有限元技术对加氢阀关键零件如阀体进行结构设计显得尤为必要。本文以某闸阀为例，依据API600等美国石油学会标准及以色列石油公司等客户要求，提出了加氢阀阀体的结构设计方案，针对阀体材料、流道形式、整体锻造结构对阀体质量影响的复杂性，利用SolidWorks建立了阀体的三维实体模型，给出了阀体最大工况时的边界条件，使用有限元分析软件MSC.Patran对其进行了强度分析，获得该阀体在各个方向的受力和变形，得到阀体结构的最大应力部位，验证了阀体零件设计的合理性。

    1 阀体结构设计

    1.1 基本参数

    闸阀的技术参数如下：

    公称通径：8英寸，即203.2mm；

    公称压力：1500Lb，即25MPa；

    适用温度：-29℃～＋427℃。

    1.2 阀体材料及热处理

    在满足氢腐蚀的基础上，依据Couper曲线中高温H₂S＋H₂对各种钢材的腐蚀率选择适宜的阀体材料，如WC6（F11）、WC9（F22）、F321、F304、A105N等。依据ASMEB16.34及客户订单要求，加氢装置阀门材料一般选用A105N、F22、F321。其中A105N材料的主要化学成分为：C的质量分数≤0.23%、P的质量分数≤0.035%、S的质量分数≤0.025%；其热处理状态为正火。F321的热处理状态为固溶＋（850～870）℃正火处理。F22锻件须为A182F22Class3，抗拉强度不超过690MPa，热处理为正火＋730℃回火。

    1.3 阀体的结构

    阀体采用整体锻造结构，组织致密，表面质量好。阀体的流道采用全通径式设计，其流道孔径与阀门公称通径基本相同。阀体壁厚、阀体端法兰、结构长度等结构尺寸设计依据API600《钢制闸阀—法兰连接或对焊端、螺栓连接阀盖》及ASMEB16.34《阀门—法兰连接端、螺纹连接端和对焊端》等标准的规定。

    阀体零件图如图1所示。

图1 阀体零件简图

    2 阀体有限元模型的强度分析

    2.1 已知条件

    加氢阀阀体的材料选用A105N，材料屈服强度≥250MPa，合格供应商材质报告中的屈服强度为360MPa，抗拉强度≥485MPa，弹性模量为202GPa，泊松比为0.30。

    阀体内压为25MPa。

    2.2 边界条件

    （1）通道二端口焊接无限长管道尺寸为Φ219.1mm×Φ174.5mm。

    （2）A－A自密封部位受25MPa内压力以及阀盖自密封产生的径向分力2221.6kN，自紧密封圈对阀体的比压为102.7MPa，阀盖与阀体密封连接后，可作为中间刚性板。

    （3）Tr270×6梯形螺纹面承受介质压力为1276.8kN。

    （4）5/8－11UNC螺纹处承受闸板关闭时的作用力为299.8kN。

    （5）阀体中腔与通道交汇中心，受沿通道轴线方向闸板与阀座的密封力为402.6kN。

    2.3 结构强度分析

    2.3.1 阀体有限元模型的建立

    加氢阀阀体零件为带圆孔的锻件结构，各连接处有过渡圆角、倒角，其结构相对复杂，所以在实体建模时应对模型进行必要的简化。根据圣维南原理，对阀体的部分局部特征如倒（圆）角、螺钉孔等进行了适当的简化，简化后利用SolidWorks建立阀体的三维模型，如图2所示。

图2 阀体三维模型图

    2.3.2 划分网格

    采用Patran中TetMesh网格生成器，用GlobalEdge Length方法控制网格的疏密，用10节点四面体单元划分节点和单元，完成阀体网格的划分。

    2.3.3 加载位移和压力的约束

    按照边界条件的要求，在MSC.Patran　Loads/BCs模块下完成阀体边界条件的加载，并在Materials和Proper模块下完成阀体材料弹性模量和泊松比的设定。加载完后的有限元模型如图3所示。

图3 阀体有限元模型图

    2.3.4 结果求解

    在Analysis模块下，调用Nastran求解器进行线性求解，可得阀体的应力云图，如图4所示。

图4 阀体应力云图

    3 结果分析

    从图4中可以清晰地发现，在载荷作用下，该零件工作时产生的最大应力为220MPa，低于材料的屈服极限250MPa，低于合格供应商材质报告中的屈服强度360MPa，其安全系数达到1.6；由图4中还可看到，大部分应力在118MPa以下，只有在阀体中腔与通道交汇处产生了局部的应力集中，但低于材料的屈服极限250MPa。通过以上分析结果可以得出结论，该零件的结构合理，选择的材料是可靠的，能够承受工作时的载荷。

    4 结束语

    （1）基于有限元技术实现加氢阀阀体的结构设计，为现阶段锻钢加氢阀国产化提供了一种方法，为我国多向模技术推广提供了一种途径。

    （2）通过有限元分析可知该阀体零件工作时产生的最大应力为220MPa，低于材料的屈服极限250MPa，低于合格供应商材质报告中的屈服强度360MPa，可承受高压负荷，满足高危工况下的强度要求。

    （3）针对阀体材料、流道形式、整体锻造结构对阀体质量影响的复杂性，在加氢阀阀体结构设计过程中，引入有限元技术，为高温高压等环境苛刻条件下的产品结构设计提供了一种方法，也为后续的优化设计工作提供了依据。