输油管道控制阀门设计与应用

输油管道控制阀门设计与应用

[摘要]油气储运作为能源保障系统中的重要一环，在国民经济建设中占有极其重要的地位。本文对输油管道中的阀门设计与受力情况进行了分析和论证，综合分析阀门外壁材料在导热性、热膨胀性、抗腐蚀性、工艺性能等方面的需求，用有限元分析方法对阀门结构体进行了三维力学分析。

【关键字】输油管道；控制阀门

1.引言

阀门是管道附件之一，也称阀件。它可以接通或切断管道隔断的介质，调节管道的流率和压力，改变介质流动方向，调节液面等。在长距离输油管道建设中，阀门是输油站和线路上不可缺少的设备，输油站的总阀室就是由阀门和管汇组成的。阀门是输油管道中的一个组成部件，主要承担着油料输送过程中的开启、关闭、压力调节等主要功能。并且在油料传输过程中，阀门所承受的压力还随着温度、油料性质的不同而变化。但是阀门的可靠性和安全性对整个油料运输过程中均起到至关重要的作用，因此在设计阀门的过程中，必须充分考虑到传输过程中压力的动态变化、甚至包括输油管道承受到一定的挤压、变形和震动后对控制阀门的影响。为了实现这一目标，在阀门设计过程中需要将阀门材质、外壳厚度以及受力情况做综合地分析，才能得出最终的设计方案。

2.管壁的选材

2.1阀门外壁材料

材料工艺性能的好坏，会直接影响制造零件的工艺方法、质量及成本。根据使用工况，在阀门外壁材料的选用上，从导热性、热膨胀性、抗腐蚀性、工艺性能等方面考虑。

2.1.1导热性的影响。材料传导热量的性能称为导热性，用导热系数表示。在制定焊接、铸造、锻造和热处理工艺图一中模型时，必须考虑阀门的导热性，防止材料在加热和冷却过程中形成过大的内应力而造成变形与开裂。

2.1.2膨胀系数的影响。膨胀系数指的是材料随着温度变化而膨胀、收缩的变化程度。一般来说，管道受热时膨胀而使体积增大，冷却时收缩而使体积缩小。热膨胀性的大小用线膨胀系数列出常见金属的线膨胀系数。膨胀系数一般而言金属高与陶瓷，但低于高分子材料。

2.1.3抗腐蚀性的影响。抗腐蚀性是指材料抵抗各种介质的侵蚀能力。非金属材料的耐蚀性远远高于金属材料。提高材料的耐蚀性，对于节约材料和延长构件使用寿命具有现实的经济意义。

2.1.4工艺性能的影响。1）铸造性能：材料铸造成型获得优良阀体的能力称为铸造性能。衡量铸造性能的指标有流动性、收缩性和偏析等；2）流动性：熔融材料的流动能力称为流动性。它主要受化学成分和浇注温度等影响。流动性好的材料容易充满铸腔，从而获得外形完整、尺寸精确和轮廓清晰的阀体；3）收缩性：阀体在凝固和冷却过程中，其体积和尺寸减少的现象称为收缩性。阀体收缩不仅影响尺寸，还会使阀体产生缩孔、疏松、内应力、变形和开裂等缺陷。因此用于铸造的材料其收缩性越小越好；4）偏析：阀体凝固后，内部化学成分和组织的不均匀现象称为偏析。偏析严重的阀体各部分的力学性能会有很大的差异，能降低产品的质量。一般来说，铸铁比钢的铸造性能好，金属材料比工程塑料的铸造性能好。输油管道阀门的实际使用工况为介质最大工作压力0.1968Mpa，阀门最大开启压力0.18Mpa，工作温度-40℃～120℃。

3.输油阀门受力分析

本文采用第三强度理论，推导阀体壁厚计算公式，主要是考虑了筒体的失效问题。筒体的失效主要有三种情况：1）弹性失效：弹性失效认为阀体内表面受压超过材料的屈服极限时，筒体就产生弹性失效，而不能再继续使用；2）塑性失效：塑性失效认为阀体的内外表面材料都进入了永久塑性变形后失效；3）破坏压力失效：破坏压力失效是指筒体壁遭到爆破才是真正失效，因韧性材料都具有应变硬化现象。但爆破压力不等于塑性失效。在这三种失效类型中，破坏压力失效计算最为复杂，目前也没有成熟的可借鉴计算模型，国际上常用的压力容器失效计算公式——Faupel公式，其计算精度也仅为±10%，因此，在计算管壁厚度时没有采用该方法。

4.有限元的应力与处理

1）三维造型。用solidworks完成阀体的三维造型，由于该阀体的物理形状、材料、载荷等都具有对称性。为了节省计算机资源，同时为了将阀体内部结构暴露出来以便于后续的加载，将研究对象沿对称面截取出来。为了缩短分析的求解时间和提高过程运行的运算速度，将一些对求解结果影响不大的，诸如铸造圆角和小的倒角等几何形状比较小的特征删掉。

2）模型分析。将solidwords中的模型导入到ANSYS中。比较导入前后的模型，模型不应发生扭曲、丢面多面等现象，确保信息的完整，为后续的分析提供可靠的分析对象。

3）单元类型与材料数据。使用ANSYS8.1软件在计算机上做三维线弹性静力分析根据阀体的结构特征、载荷类型以及分析的需要，选择砖形六面体单元solid45，此单元有8个节点每个节点3个自由度可以较好的描述问题的受力和变形情况，计算结果精度很高。ANSYS所有的分析都要输入材料的属性。在结构分析中要输入材料的杨氏模量。由于是对阀体进行线弹性分析，给出分析模型所采用材料的弹性模量：E=187GPa，泊松比m=0.3。

4）网格划分与约束条件。使用网格工具中的SimartSize（智能分网）工具

进行分网，并将划分精度定为4，系统将自动根据阀体模型的形状和尺寸，模型局部的曲率、线与线之间的距离，以及所设置的精度级别自动选择合适的网格密度进行划分。

5）载荷施加。在载荷的作用下阀体的对称面只存在X和Y方向的变形，所以选择阀体模型的对称截面，并在垂直于纸面方向的截面上施加Z方向的约束，在阀体的进出口端面上施加全约束。根据阀体的水压试验压力，在阀体的内表面施加面压力载荷为1.5MPa的压强。

6）求解。有限元法其实就是将物体用有限个节点和单元划分成离散体，然后建立每一个单元体的有关公式，将它们在离散点处结合起来，得到整个物体的平衡方程组。求解的过程大部分是由计算机自动完成的，但也有不少需要选择和控制的地方，由于该结构属于小变形线性结构分析，所以直接使用默认求解命令进行求解。ANSYS提供了多种显示结果的方式，如等值线图、轨迹线队列表显示，并可按1、2、3强度理论分别计算应力和应变云图。

在阀体内部的两法兰连接处存在最大应力和最大应变。出现最大应力的原因是由于在模型制作时，将两法兰面粘结在一起，使在该处形状变化最为剧烈、同时内壁存在着图一组合应变云图尖角的原因所形成。根据分析，阀体在正常运行条件的应力均小于对应的极限应力值，并有一定的安全裕度，说明阀体的结构强度安全，能满足设计要求。