高水头水轮机球阀压力试验封头受力分析

　　以某高水头水轮机球阀压力试验封头结构为研究对象，介绍了球壳与锥壳组焊式压力试验封头的各组成部分，并利用有限元方法对其进行受力分析。利用应力线性化方法，提取了高应力区域组焊钢板的最大平均应力，并依据相应的应力考核标准对结果进行考核。

1、概述

　　为了验证水轮机球阀的焊接质量和承载能力，需要对水轮机球阀进行压力试验。水轮机球阀压力试验中采用的阀体封头主要有铸造结构、球壳与锥壳组焊结构以及平板型结构。铸造结构封头受浇注质量影响，容易存在缺陷，导致压力试验时封头损坏。平板型结构封头制作相对简单，但是组焊焊接工作量很大，耗费大量金属材料。相比之下，球壳与锥壳组焊结构封头更具优势。本文以某高水头水轮机球阀压力试验封头结构为研究对象，分析了结构受力情况以及避免高应力的措施。

2、有限元模型

　　压力试验封头属于对称结构，本文所研究的球阀压力试验封头含有20 个立筋，利用其对称性切取包含1 个立筋的1 /20 个封头作为计算模型( 图1) ，并选择每个节点具有3 个自由度的20 节点六面体单元SOLID95 划分网格。在试验封头剖切出的2个对称面上施加对称边界条件，在试验封头螺栓连接处施加轴向约束，在试验封头内表面施加试验水压力11.5MPa。

　　压力试验封头是由各部分钢板组焊而成的，因此真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为可以根据封头各部分的重要程度和应力水平而选用不同的金属材料。本文分析的结构中，封头本体( 包括球壳、锥壳、圆筒和补强段) 材料选用16MnR，立筋材料选用16MnR，法兰材料选用Q235(表1) 。

3、受力分析

　　对高水头水轮机球阀压力试验封头进行受力分析(图2) ，结构最大von mises 应力为242MPa，属于局部应力，小于其对应的许用局部应力425MPa。封头存在4 个主要的高应力区域，分别是锥壳与立筋连接处(S1) 、锥壳与圆筒连接处(S2) 、圆筒与补强段连接处(S3) 以及法兰与补强段连接处(S4) 。

图1 球阀压力试验封头有限元模型

表1 封头各部分材料及力学特性

图2 试验封头von mises 应力分布

　　为保证试验封头组焊钢板的膜应力满足强度要求，针对4 个高应力区域进行了应力的线性化分析( 图3) 。利用积分方法( 即: 沿着路径对应力进行积分，并除以路径长度) ，分别提取各个高应力区域的最大平均应力，并按照相应许用应力进行考核，结果表明平均应力满足强度要求( 表2) 。

表2 封头应力分析结果

(a) 沿S1 位置路径(b) 沿S2 位置路径(c) 沿S3 位置路径(d) 沿S4 位置路径

图3 沿着高应力路径的应力分布

4、结语

　　利用有限元方法以高水头水轮机球阀压力试验封头结构为研究对象，并依据相应的应力及其试验标准要求对结果进行考核，结果表明选择恰当的钢板尺寸和厚度，可以实现金属材料和应力水平的很好协调。