球阀密封特性研究

　　采用有限元法计算了常温下球阀的密封接触应力分布和变形情况。分析结果表明，在球阀的密封结构设计中选用聚四氟乙烯作为阀座材料是可行的。

1、概述

　　密封失效是阀门常见的失效形式之一。由于密封结构中包含复杂材料特性的密封元件，有限元求解过程中包含复杂的非线性接触分析。密封结构在工作状态中存在不稳定工况( 如温度、压力和密封介质特性) 等，使采用有限元法进行密封接触分析涉及到几何非线性和材料非线性等问题。几何非线性主要体现在接触过程中接触部位的准确确定从而正确地设置接触对，真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为材料非线性主要是指由于大多数密封件中通常会采用一些具备超弹性和粘弹性的非线性材料，如各种类型的橡胶和工程塑料等。本文以球阀为例，对常温下球阀的密封件进行有限元接触分析，获得其接触应力和接触变形情况，检验校核聚四氟乙烯阀座是否符合强度要求和密封变形限制。

2、有限元建模及加载

　　2.1、载荷计算

　　在实际工况下，球阀的球体在介质压强的作用下产生微小偏移量挤压介质出口端的阀座密封件，使得两者密封面接触(图1) 。密封件受到阀体限制产生塑性变形，通过阀座端面将力传递到阀体，由于阀体与外接法兰管件连接，受到固定作用，连接的端面产生对应的平衡，使整体处于平衡状态。根据对实际工况下球阀密封状态时力传递过程(图2) 的分析可知，在阀门的密封状态，载荷即外界作用力主要包括介质压力、接触压力和端面压力。由此可知，阀座的载荷理论值q 主要包括介质压力、接触压力和端面压力。

图1 阀门密封状态

图2 阀门密封状态的力传递流程

　　根据DN50 球阀的设计数据可知，d = 54mm，D= 66mm，p = 2.5MPa。将各数值代入式(1) ，计算获得载荷的理论值q = 6.25 MPa。

　　2.2、材料模型

　　在接触分析中主要部件为球体和阀座。目前常用的阀座材料为PTFE，其材料力学性能较为稳定(表1) 。球体常用材料为304不锈钢(表2) 。

表1 PTFE 材料的常温(22℃) 力学性能

表2 304 不锈钢常温(22℃) 下的力学性能

　　PTFE相对于橡胶而言其塑性特征更明显，通常呈现为双线性随动强化特征，而且材料特性对温度比较敏感。因此，对于研究所用的纯PTFE 阀座，主要考虑其弹塑性特征，在有限元分析中采用双线性随动强化材料模型模拟，在ANSYS 中采用弹塑性实体模型Visco solid 8 node plas 107 单元进行求解。定义PTFE材料密度为2100kg/m³，弹性模量为0.4GPa，屈服强度为18MPa，切向模量为120MPa，泊松比为0.35，取动摩擦系数为0.15。由于阀体和球体均为304 不锈钢，在常温下其材料性能可用线弹性模型表示。在ANSYS 中定义其材料弹性模量为195GPa，屈服强度为205MPa，密度为7 930 kg /m³，泊松比为0.294。

3、结语

　　仿真分析是阀门设计的一种重要方式，可对产品的性能给出初步的评价。而基于经典力学理论的常规设计计算方法由于其固有的局限性，真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为对于复杂几何结构和多载荷作用下的计算是无能为力的，即使对简单边界条件的结构，也会因为结构较复杂使得计算不准确，甚至与实际相差甚远。因此，基于有限元法的数值模拟解决相对复杂的问题，本文通过对常温下球阀的密封件进行有限元接触分析，获得了其接触应力和接触变形情况。分析结果表明，聚四氟乙烯阀座符合强度要求和密封变形限制。