核级手动偏心球阀抗震分析 -行业资讯

球阀不仅结构简单、密封性能好，而且在一定的公称通经范围内体积较小、重量轻、材料耗用少、安装尺寸小，并且驱动力矩小，操作简便，易实现快速启闭。
随着球阀的技术进步，特别是在石油天然气管线上、炼油裂解装置上以及核工业上将有更广泛的应用。这就对球阀的设计和制造提出了更高的要求。特别对于手动球阀，要包括地震载荷的所有工况下，满足应力要求。因此手动球阀必须进行抗震分析。
抗震分析主要研究阀门在设计工况下的应力和变形的情况。贾臻、王会等人采用三维有限元分析软件对核二级电动球阀进行了在设计工况下的应力分析和抗震校核分析。王伟利用ANSYS有限元程序对安全二级气动球阀进行力学分析。
蔡坤、乐修辉等介绍了核二级阀门考虑地震载荷的应力分析评定方法。周文霞、张继革等基于ANSYS有限元分析软件，采用等效静力法对调节阀的抗震性能进行分析。
对于结构比较复杂的设备，一般采用质点模型，但误差较大。并且对于大多数的阀门只是进行了静力计算，而根据标准规定，还可以进行谱分析和时程分析。因此，本文采用手动球阀的三维实体模型进行抗震有限元静力分析和动力分析。
本文以某型号核级手动偏心球阀为例，首先介绍了阀门抗震分析一般方法，其次利用ANSYS软件进行了阀门整体三维结构模型的自振频率计算，然后进行静力分析，**选取常见的地震波进行谱分析和时程分析。
1.抗震分析方法
1.1 静力分析
假设结构物各部分与地震动具有相同的振动规律。结构因地震力引起的惯性力等于地面运动加速度与结构总质量的乘积，以此惯性力作为静力施加于结构，进行结构线弹性静力分析。
1.2 响应谱分析
响应谱法将动力问题静力化，对于求解非解耦振动问题，当受到地震激励时将系统的主要模态与响应谱进行组合近似代表整个结构的实际响应。
1.3 时程分析
时程分析法是将实际地震动记录或人工生成的地震波作用于结构，直接对结构运动方程进行数值积分而求得结构地震反应的时间历程。只要正确选择地震动主要参数，且所选用的地震波基本符合这些主要参数，时程分析法就可以在一定程度上给出未来地震作用下结构反应。
2.建立有限元模型
2.1 材料性能
手动偏心球阀主/副阀体、阀盖材料均为Z3CN20-09M，设计温度为-20℃~200℃。螺母、螺柱材料为M5120/M5110-Z6CN18-10。材料常数设置为：弹性模量E=190GPa，泊松比υ=0.3，密度ρ=7800kg/m3。
2.2 建立模型
利用有限元法求解，首先要建立合理的模型，本文分析对象为手动偏心球阀，采取在AN⁃SYS中直接整体建模的方式。由于阀门零件较多，为了提高计算效率，在建立有限元模型时作了必要的简化。例如，阀门结构外形中的一些倒角等细节处，对于整个结构动力性能影响极小，建模时可以忽略。而在阀体、阀芯接触处，在地震载荷作用下是典型的结构薄弱部位，故此处的尺寸严格按照实际尺寸建模。
考虑到阀体物理形状、材料、载荷等都具有对称性，沿对称面截取一半有限元模型进行计算。这样做既可缩短分析求解时间，提高运算速度，又可将单元可划分更细，计算结果更精确。
2.3 网格划分
单元类型选取StructureSolidBrick20node95，计算模态时采用BlockLanczos法，应力分析时采用Pre-ConditionCG求解器。
在网格划分时，根据阀门受力特点，应用自适应网格技术进行划分。如在阀体内部，是典型的结构薄弱部位，在地震载荷作用下应力较大，故此处的网格最密集。而在阀体边缘处等，应力较小，不是结构危险部位，故此处的网格较疏。这样处理，兼顾了计算效率与计算精度的要求。一共划分了29777个单元。手动偏心球模型如图1所示。

图1 手动偏心球阀三维有限元模型
2.4 载荷及边界条件
阀体两端采用对接焊连接方式，将阀门边界条件看作是固定约束形式，在对称面上施加位移对称边界约束。
为简化计算及保守考虑，要考虑的载荷主要包括1.2倍的工作压力、自重和2倍管道反作用力。其中，工作压力取应力设计值，即5MPa。
静力分析时取SSE工况，根据计算要求取三个方向的重力加速度，大小为5g；谱分析取与频率相对应的反应谱值；时程分析时取实际的地震波。
本文所采用的地震波是EI地震波，该波是1940年5月18日美国IMPERIAL山谷地震（M7.1）在EICentro台站记录的加速度时程，EI波比其他有相似周期的地震波有更大的能量，更有代表性，因此选用EI地震波。
3.抗震有限元分析
3.1 固有频率分析
本文在计算模态频率时采用BlockLanczos法提取8阶模态，取8阶是为进行谱分析做准备。各阶频率如表1所示。其中第1阶频率为737.35Hz，一阶振型如图2所示。
表1 阀门的前8阶频率

图2 手动偏心球阀一阶振型图
3.2 静力分析
先对阀体施加三个方向的重力加速度，大小为5g，然后对球阀进行静态求解，**得到静态应力云图，如图3所示。其中，应力**值为44.85MPa，其运算时间大约17s。
图3 手动偏心球阀静态应力分布图
3.3 响应谱分析
在进行响应谱分析时，首先依据规范GB50011-2001第5.1.5条，按7级多遇地震由前8阶的固有频率计算得到反应谱值（加速度值），如表2所示。首先设定阻尼系数为0.02，接着输入8个频率和反应谱值，然后对球阀进行响应谱分析，得到阀体应力云图，如图4所示。其中，阀体的**应力为42.05MPa，其运算时间大约75s。
表2 阀门反应谱值

3.4 时程分析
在进行时程分析前，选取一段EI地震波，如图5所示。接着设定阻尼系数为0.02，在阀体三个方向都加上地震波，**得到的时程分析应力图，如图6所示。其中，时程分析下的阀体的**应力是41.99MPa，其运算时间大约30min。

图4 手动偏心球阀响应谱应力云图

图5 EI地震波谱

图6 手动偏心球阀时程分析应力云图
4.结论
首先介绍了安全阀抗震分析一般方法，接着利用ANSYS软件进行了阀门整体三维结构模型的自振频率计算，**利用ANSYS软件对阀门结构进行静力分析，响应谱分析和时程分析。
通过模态分析计算得到的阀门的一阶固有频率为737.35Hz，远大于33Hz，故可采用静力分析。
通过静力分析、响应谱分析和时程分析计算得到的阀门的**应力分别为44.85MPa，42.05MPa和41.99MPa。从中看出，三种方法分析得到的应力相差不多，静力法中的5g加速度相当于7级地震。静力分析、响应谱分析和时程分析的运算时间分别为17s、75s和30min。从计算效率来看，静力法优于其他两种方法。
通过计算比较，三种方法应力计算结果相近，而静力法偏保守安全；要得到较为精确的计算结果，则可结合谱分析进行抗震分析。
文章链接：http://www.klevalve.com/jsxw/1164.htm

资讯来源：无锡科莱恩流体控制设备有限公司