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管线球阀阀座失稳与抗应变设计

发布于:2016-11-16 15:21:39

  在大型管线球阀国产化的一次试验中,出现非正常泄漏。经检查,阀座内径发生残余变形,阀座在外压作用下失稳。本文对受外压阀座进行应力、应变分析,并提出阀座强度、应变的设计、计算方法。

  阀座失稳的发生

  管线球阀的阀座可视为一个薄壁圆筒,把阀座作为一个阀门内件,通常不考虑阀座的失稳。但对于一个大口径高压球阀的阀座,按API-6D进行DIB-I试验时,阀座是一个受外压的薄壁圆筒,存在可能发生失稳的潜在风险,需对其进行应力、应变分析和计算。

  Class900,NPS56的管线球阀,在一次DIB-I的试验时,两侧密封座发生大量泄漏,解体检查,阀座内径由1360mm缩小至1358mm,阀座发生残余变形,证实阀座失稳。

  应力分析

  典型的阀座结构如下图所示。由金属阀座、三角密封圈、O形密封圈、支撑圈等零件组成。

  典型的阀座结构

  金属阀座1,在DBB功能试验时,阀座处于内压qa的作用下,如图2a所示。在DIB-I功能试验时,阀座处于外压qb的作用,如图2b所示。在液压强度试验时,阀座处于qa,qb和两端压力qc的共同作用。如图2c所示。

  图2

  这样,我们可以把阀座视为一个薄壁圆筒,受内压qa,外压qb,两端压力qc的作用。假设是一个无限长的筒体,则qc=0令圆筒内半径为a,外半径为b,显然圆筒上任何一点上的应力分量是半径r的函数。筒状阀座是一个轴对称零件,一点上的应力分量用极坐标表示为:环向应力σθ,径向应力σr,轴向应力σz。因为我们假定是无限长的筒体,二端压力qc=0,所以σz=0。作二向应力状态考虑。如图3a所示。

  图3

  弹性力学中对于一个无限厂的筒体其力的平衡方程

  应变分析

  在求得应力分量σr,σθ之后,根据广义虎克定律可求得相应的应变,径向应变σr,环向应变σθ。

  εr= 1/E〔σr - υσθ〕

  εθ= 1/E〔σθ - υσr〕 (8)

  径向应变对应于壁厚t的变化Δt,环向应变对应于周长的变化或圆筒直径d的变化Δd。则:

  d = εθ×d

  t = εr×t (9)

  径向直径变化量Δd直接影响密封圈的初始压缩量,可能导致泄漏

  外压壳体的工程计算

  在工程上受外压壳体的强度,即壁厚的计算可按照 ASME - ( 1 )UG28“外压壳体和管子的壁厚”进行。计算的目的,是针对某已知壁厚的筒体材料及其物性参数求得一个临界外压〔P〕值。

  临界外压〔P〕与结构参数L/D,D/t以及材料的屈服极限σs有关。D为筒体内径,t为壁厚,L为筒体长度。

  第一步,按L/D,D/t在ASME -D篇第3分篇中求得参数A。

  第二步,根据求得的参数A,以及材料和工作温度在ASME D篇3分篇相应材料的线算图上求得参数B。

  第三步,按下列公式计算临界工作外压〔P〕

  〔P〕= 4/3* B× t/D (10)

  如果,某些材料线算图上未能提供,上海科科阀门建议B值取材料许用压力的1.5倍。当取安全系数n=2,则B=0.75σs;当取n=1.6,则B=0.9σs。

  结论

  管线球阀对于要求DIB-I功能的阀座,需要进行外压下阀座的强度,变形和失稳计算。尤其是高压,大口径的金属阀座。在密封设计时,阀座的径向变形增大了密封间隙,可能会导致密封失效,应予注意。

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