阀门阀体强度计算

阀门阀体强度计算

１．概 述

目前设计常规阀门（非核级阀门）阀体的主要承压部分时，一般只考虑内压一种载荷。设计的方法可以称为规则设计，即按相关阀门标准（如B16.34、API600）结合经验进行阀体设计。按规则设计原则设计出来的阀体是安全可靠的，因为标准是不断改进的，是不断被实践使用验证的。但是按规则设计原则设计出来的阀体在载荷条件下其强度到底如何，相关标准没有给出理论公式进行计算。

一个形状复杂的阀体可以看成是由一种或几种规则形状的几何体组成，比如筒形、球形、椭圆形等，各规则形状几何体可以通过通用的计算公式进行壁厚计算，这样计算的得来的结果一般为非等壁厚，然而因为铸造等原因，一般不采用不等壁厚设计，所以最后需要统一各处的壁厚。相关标准也是采用这样的思想，利用规则模型计算一个壁厚，增加适当的余量后，规定为阀体的最小壁厚。然而，几种规则形状几何体组成一个形状复杂的阀体时，某个或某些规则形状的几何体的整体性必然遭到破坏，比如，两个圆筒相贯后，必有一个圆筒被挖去一部分。按压力容器设计的观点，规则容器的开孔达到一定尺寸，已不能保证容器完整时的承载能力，必须要对开孔处进行补强计算，以保证容器开孔前后的承载能力不发生变化。

阀门的阀体作为承压部件，也属于压力容器的一种，完全可以适用这个观点，目前在常规阀门阀体在按规则设计原则设计的过程中，较少考虑通过理论计算阀体的强度。

基于上述问题，本文在下节介绍ASME第Ⅲ册NB卷中用于计算核一级阀门阀体由内压引起的一次薄膜应力的计算方法。

2．原理简介

在仅考虑内压时，压力容器壳体（阀体）一般承受均匀的薄膜应力，即一次总体薄膜应力，压力容器壳体开孔补强后可引起另外三种应力：局部薄膜应力、二次应力和峰值应力，这四种应力对容器有着不同的破坏形式。

容器在压力载荷下产生的一次总体薄膜应力是最基本的应力，是为平衡压力载荷所产生的，这种应力如超过材料的许用应力达到材料屈服点，则容器产生很大的变形（径向膨胀），如不计壳体材料的应变强化效应，则壳体材料会发生塑性流动，导致容器爆破。这种破坏是在一次加载条件下就发生的，所以必须以１倍的许用应力严格加以限制。局部薄膜应力主要分布在开孔附近位置，具有很大的衰减性，在远离开孔边缘的位置，局部薄膜应力衰减后不会影响整体应力分布，因此一般以1.5倍的许用应力进行控制。

二次应力和峰值应力分别对容器产生失去安定性的塑性疲劳破坏和疲劳破坏，计算方法复杂、需要依赖有限元进行分析，故目前压力容器开孔补强设计主要从一次静力强度出发，这些方法对开孔边缘的二次应力强度主要靠较大的安全系数和长期的实际使用经验来加以保障。

在ASME第Ⅲ册NB分卷中详细介绍了如何计算阀体由内压引起的一次薄膜应力，其只计算阀体的拐角区薄膜应力，应属于上述的局部薄膜应力的范畴，但其以１倍的许用应力加以限制，计算方法为压力容器开孔补强设计常用方法的一种——压力面积法。压力面积法是考虑在有效补强范围内由压力产生的载荷与圆筒、接管、补强元件等有效截面的抗拉承载能

力相平衡的计算方法。

图1为NB3545.1中所列的典型阀体图，可以看成由三部分组成：中腔部分、进口段和出口段。中腔部分可以看着是一筒状容器，出口段和进口段可以看着为中间筒状容器开孔后的补强元件，可以归为接管补强类。按式（1）可以计算阀体拐角区的一次薄膜应力。

图1

（１）

其中：

m P 为拐角处总体一次薄膜应力强度，Mpa

f A 根据不包括腐蚀裕量的内表面确定的计算拐角处一次薄膜应力用的有效液压面

积，2

mm

m A 根据不包括腐蚀裕量的内表面确定的承受作用在f A 上的液体力的有效金属面

积，2mm N L 按式)(354.05.02b b T d T r ++确定，mm

A L 取b A T d L −=5.0或r A T L =之间的较大值，mm

s P 温度压力设计值，Mpa

设计时依据标准、计算公式和结构需要来确定阀体的结构和尺寸，绘制完阀体设计图后，根据式（１）校核拐角区的薄膜应力。

３．实例应用

下面以阀体（16GT6R）为例，具体介绍如何计算阀体拐角处的一次薄膜应力，见图2。

图2

3.1.1、基本数据

设计前确定：

口径16”

材料A216 WCB

设计压力 10.2Mpa

设计温度 38℃

材料许用应力 138Mpa

3.1.2、基本尺寸

依据标准设计确定，根据图1及图2可知：

d488mm

T31.8mm

b

T31.8mm

r

r25mm

2

3.1.3、尺寸确定

边界的尺寸确定：

①N L =)(354.05.02b b T d T r ++=58)8.31488(8.31354.0255.0=++×mm

②b A T d L −=5.0=8.314885.0−×=2.212mm

8.31==r A T L mm

因8.312.212>，取2.212=A L mm

3.1.4、应力计算

由3.2.1～3.2.3以及NB-3545.1可以确定：

223.15521mm A m =，21.112364mm A f =

Mpa Mpa P A A P s m

f m 1389.782.105.023.155211.1123645.0<=×⎟⎠⎞⎜⎝⎛+=⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛+=（合格）

４．结 语

本文介绍的计算方法原来用于核一级阀门阀体的设计计算，但是常规阀门的设计完全可以借鉴该方法计算阀体拐角区的应力。拐角区的应力计算出来后，如满足要求，该阀体的强度是合格，因为在非拐角区域的应力一般是低于拐角区的应力的。