基于ABAQUS的高压球阀球体有限元分析

　　在球阀的设计制造中，为尽可能地保证产品质量和缩短产品制造周期、延长产品使用寿命，在对球体的受力情况进行理论分析的基础上，对3种工况下球体的受力情况进行了有限元模拟，并对球体整体应力、最大变形处与最薄弱环节做了评价，找出整个球体的应力大小及载荷分布情况，得出此类球阀能够满足强度要求的结论。

　　传统的球阀在使用过程中，常常因为球体与阀座的配合误差而导致咬伤、卡塞或划伤等问题。为了改善这些不足，现今在西气东输管道设计项目中使用了大口径、耐高压、耐腐蚀的高可靠性球阀。而在这种球阀的设计制造中，为尽可能地保证产品质量、延长产品的使用寿命，作者采用有限元数值模拟的方法，对3种工况下球体的受力情况进行了强度分析，并对整体应力、最大变形处、最薄弱环节做了评价，这对预先检测产品潜在的问题，改善产品的可靠性和安全性，减少产品的制造费用及现场的设计和使用具有指导意义。

1、球体力学分析模型

　　球体结构为对称的薄壁结构，是整个球阀中体积和质量最大、承受最高压力的部件，其结构与材料质量直接影响内部应力分布和产品的安全性，当球阀工作时，球体在开启和关闭过程中，管道内的气体将会流向中腔内部，所以对其进行强度分析十分必要。在此，选取3种工况下球体的受力情况进行分析，图1为某大型球阀的结构图。

　　(1)流道内有压力10MPa，中腔无压力由于球阀尚未开启，流入管道内的气体直接作用在阀座支撑圈上，压迫阀座紧压球体产生预密封作用，管道内的气体将不能通过缝隙进入中腔内部。因此在分析时，球体上游端在流道内介质压力(10MPa)的作用下，使阀座支承圈和阀座一起压向球体。

图1 某型号大口径球阀装配图

　　(2)流道内压力10MPa，中腔内压力13.3MPa在特定的条件下，管道内的气体进入中腔，这时球体将受两种载荷的作用:第一种是在上游端流道内介质压力(10MPa)的作用，使阀座支承圈和阀座一起压向球体；第二种是在下游端中腔内介质压力(13.3MPa)的作用，使阀座支承圈和阀座一起压向球体。

　　(3)流道内无压力，中腔内压力13.3MPa(试验工况)当中腔压力为13.3MPa、两端流道无压力时，此时球体的上游端和下游端同时受到中腔内介质压力(13.3MPa)的作用，使阀座支承圈和阀座一起压向球体。

结论

　　(1)阀体有限元分析结果表明，无论在10MPa的工作压力下还是在阀体无袖管时13.3MPa的试验压力下，阀体都有足够的强度保证安全。最大应力值在阀体和袖管连接处，阀体的最大位移保持在0.75mm以下。

　　(2)从对球体在3种不同压力载荷作用下的分析结果可以得出:在3种不同工况下，球体所受到的应力值变化不大，都处在100MPa以下；3种情况下球体的位移量都处在一个很小的范围，对球阀的密封影响不会太大。因此，在上述3种不同实际工况下，球体工作状态都比较安全。