截止阀焊接阀座的应力计算与分析

2 0 0 1 年第 2 期 阀 门 文 章编 号 1 0 0 2 一 S 8 S S 2 0 0 1 0 2 0 0 0 1 0 5 截 止 阀焊接 阀座 的应 力计算 与分析 王 泽 清张卫 东 哈尔滨锅炉厂有限责任公司 龙江哈尔滨1 5 0 0 4 6 摘 要介 绍 了计 算机 辅助 截止 闽焊 接 阀座应 力计算 的方法 程序 和过 程 绔 出 1计 算结果并作 了比较 和分析 提 出 7消除问座应 力变 形的改进 方案 和建议 关 键 调截止 阁 焊 接 阀座 C A D 中田 分粪 号 T G 4 0 4 文献 标识码 A St r e s s c a l c u l a t i on a nd a na l ys i s o n we l d i n g s e a t o f s t op v a l v e W AN G Ze c l i n g ZHAN G W e i d o ng H a e r b i n B o i l e P l a n t L D e d h 8 b 丑 j 竹 c o ml n y I e r b h a 1 5 0 0 4 6 C h i n a Ab s t r ac t W hi l e s t op v a l ve i n u s e i t s we l di n g s e a t h a s S e v e r e s t r e s s P t U S e S da m a g e t o t he s e at we c a l c u l a t e a nd an a l y s i s t he s t r e s s by us i ng ge n e r a l l i m i t e l e me nt pr o gr a m w i t h 8 n ot c he s e qu a l p r ef e r e n c e uni t a xi s s y m m e t r y Ke y wo r d s s t op v a l v e we l di ng s e a t CAD 在高温高压截 止阀设计 中 为 了提高 阀 门 密封 面 的硬 度 对 公 称 直 径 5 0 ram 的 截 止 阀 大 多 采用 阀座 嵌入 阀体 焊 接 的 结构 图 1 在加工 以及装 焊过程 中 阀座与 阀体相接 处的平面 有 0 3 0 4 mm 的间隙 这样 阀门 在额 繁的开 启和关 闭过 程 中 焊 缝处所承 担的 应力 加大 造成 焊缝出现裂 纹 产生破坏 影 响了阀 门的使用 寿命 为 了解决 这一 问题 以 图 1间座 DN1 0 0 mm P N2 5 MP a J 6 1 H一 2 5 截 止 阀 为 例 进 行 了 计 算 和 分 析 该 阀 阀 体 材 料 为 WC B 阀 座 材 料 为 2 5钢 密 封 面 采 用 ED C r Ni b堆焊 阀座和 阀体 的焊 接 则采用 E 5 0焊 条 l漠型和 方法 由于截止阀焊接 阀座处与应力计算有关部 位可 以简 化 成轴 对 称结 构 所 以在 计 算机 上 采用 八节点 等参数 和轴对称 有限元 法通 用应 力计算程 序进行应 力计 算分析 计算 模型 如图 2所示 阀体部 分的右 侧和 下侧 为 固定端 模 型 图左 边界为 自由端 阀座 密封 面承受 阀杆作 用的集 中载荷 其余部分承受介质压力的均布 载荷 经计算 阀杆集 中载荷 对密封 面的 比压 q 6 0 5 4 6 MP a 介 质 压 力 均 布 载 荷 q 24 5 2M P 怍者简介 王洋清 1 9 5 0 一 男 沈耵人 高级工程师 从事 电站阀门的设计 研究和调试工作 维普资讯 VALVE DESIGN QQ 40444436 VALVE DESIGN QQ群号 40444436 标准分享网 w w w b z f x w c o m 免费下载 阀 门 2 0 0 1 年第2期 f b f c 1 同压2 罔 悴 a 原设计 b 修改方案 1 c 修改方案 2 图 2 计 算 模 型 计算 按 3种情况进 行 计算模 型同原设 角 R l mm 整个 槽 向左 侧平 移 l mm 密封 计的焊后 情 况 划 分 成 6 3个 单 元 2 5 0个 节 面外侧倒 角 3 0 的焊后情 况 划 分成 6 3个 点 图 3 计算 模 型 上 部 环 向槽底 尖 角改 单元 2 4 9个 节点 图 5 为 R l mm 的圆角 侧部周 向槽 宽 由 3 mm 改 为 2 ram 阀座底 部 外 周 边 和 阀体 靠 紧 的焊 后 情况 捌 分成 6 3个 单元 2 5 0个节点 图 4 计算模型 上部环 向槽 深 6 mm改为 5 ram 圆 正 罄 匿 一 f 图 3原设 计 的单 元节 点 菡 l 誊 u 卜 f l l f 图 4修改方 案 I的单元 节 点 在计 算机上所 进行的应 力计算数据 应用 第 四强度理论 换算 成相当应 力 相 当 i 一 l X 2 一 1 3 一吼X 3 在以下 计算 中均 以 相 当 应 力 为 分 析 依据 维普资讯 VALVE DESIGN QQ 40444436 VALVE DESIGN QQ群号 40444436 标准分享网 w w w b z f x w c o m 免费下载 2 0 0 1 年第2期 阀 门 J匪三 一 一 j f I l I l I l I l l l l l 图 5修改 方 案 2的单 元 节 点 蓬 2 94 2 4 5 1 9 6 1 4 7 9 8 盥 力 胁 图 6原 设计 的应 力 曲线 原设 计 修改方案 1和修改方 案 2的 阎座 和焊 缝处 应力分 布情况 如 图 6 8 2结果与分析 原设计方案 以及两个 改进设计方 案的计算 结果 中 比较典型 的节点相 当应力 列入表 1 和表 2 圈 7 修 改方 案 1的 应力 曲线 口匿陲 I l l l Il II Ell I J I l l lI Jl l l f Il Ill l l l l l 圈 8修改 方 案 2的应 力 曲线 根据有限元 法通用应 力计 算 程序 的计算 结 维普资讯 VALVE DESIGN QQ 40444436 VALVE DESIGN QQ群号 40444436 标准分享网 w w w b z f x w c o m 免费下载 4 阀 九 2 0 0 1 年第 2 捌 果 原设计及 2 个修改方案 在f 固 杆 集 中载荷对 密封面的 比压 口 6 0 5 4 6 MP a 介质压力对 密封 面的均布载荷 2 4 5 2 MP a作用下 最大应力 均发生在密封面上平面 以及 上部焊缝 环向槽的 右 上 部 如 第1 8 点 原 设 计 的明 3 3 4 2 MP a 修改方案 1的 d 3 1 8 9 1 MP a 修 改方案 2的 d 2 7 6 6 4 MP a 但是 由于密封 面采用 E D C r Ni b铁基 硬质 合 金堆 焊 堆焊 硬 度 t G 3 7 根据硬度 和抗拉 强度的换算 值可知 对 于 E DG r Ni b HR C 3 7 7时 l 1 8 2 MP a HR C 3 9 8时 1 2 5 7 MP a HR C 4 0 8时 1 2 9 8 MP a 安 全 系 数 n 3时 7 3 9 4 MP a 8 4 1 9 MP a 8 4 3 2 7 a o 衰 1 阁 座处 各典 型节 点 的相 当应 力 括 当 MP 戚设计4 3 8 方 案 1 3 7 3 方 案 2 6 1 2 虽 然 密 封 面 上 的 应 力 为2 7 6 6 3 3 4 4 MP a 但是 仍 然低 于 堆 焊材 料 的许 用 应 力 所 以 在阀 门频 繁启闭过 程中 阀门密封 面 不会产 生破坏 从表 1的应力数 值分 析 方 案 2的 口 女 比原 设 计 最 大 应 力 值 降 低 5 7 6 6 MP a 比方案 1降低 4 2 8 5 MP a 另外 从计算密封面上的变形量 表 3 分析 方案 2 的整体变形量小于原设计和方案 1 以第 3点 为 例 在y 方 向 原 设 计 变 形 量 f 0 0 9 5 3 mm 方案 1变形 量 f 0 0 8 9 mm 方 案 2变 形 量 f 0 0 7 r t m a 方 案 2无 论 在 应 力 上 还是在变形 量上 均优 于原 设 计和 方案 1 按照 方案 2的设计思路 即沿密封面外径加工 3 0 角 不但降低阀瓣密封面的应力 而且 由于变 形量减少 使阀门的密封性能也得到了提高 衰 3阁座左 边 界 各节 点 的变 形量 r n m 1 0 由计算得 知 阀座和 f 哥体焊 接采 用 的 E 5 0 行中的实 际情况 安全 系数取 n 2 则 熔 焊 焊条的抗拉 强 度 o b 4 9 0 MP a 根 据 该 阀在运 金属 的许用应力 2 4 5 MP a 这样 原设 i 丑 l l 埔 5 9 2 铊 盼 9 7 1 i 1 7 7 9 4 8 9 驺 拈 2 2 1 5 9 9 7 5 m i n卯 3 2 l 瑚 眠 8 4 O 牾m科 2 1 5 9 3 5 8 9 n n 2 2 7 m L 9 3 黯 维普资讯 VALVE DESIGN QQ 40444436 VALVE DESIGN QQ群号 40444436 标准分享网 w w w b z f x w c o m 免费下载 2 0 0 1 年第 2 期 阀 门 计 中焊缝 处 相 当 应 力 超 过 许 用 应 力 的 节 点 共有 2个 方案 1和方案 2中 均 小于 许 用 应力 这 3种计 算模型焊缝 处的应 力 基本 上是 沿着 熔 焊金属 与 阀座 阀体相 熔 接 部 分 如 原设计 中的 第 1 7 9点 d 楣 2 5 3 4 MP a 方 案 1中的第 1 7 9点 相 2 2 4 7 6 MPa 第 1 7 5 点 相 2 4 9 5 8 MP a 方 案 2 中 的 1 7 6 点 相 当 1 1 4 9 MP a 1 7 9点 相当 1 2 8 9 MP a 可见在阀杆集中载荷和介质压力作用下 如果 按原 方案 阀 门在频繁 的启 闭下 容易产 生环 向焊缝 裂纹 而 使 阀 门遭 到破 坏 按 方 案 2 环 向焊缝 处 的应力 远小于许用应 力 因此不会 出 现破坏 对于 阀体材料 WC B 其许用应力 1 2 1 MP a 阀 座 材 料 2 5 许 用 应 力 1 3 7 2 9 MP a 据材料本 身 的机械性 能 计算 出 的应 力值 如 果超 过 了弹 性 极 限 后 材 料 将 产 生不可恢复的变 形 即塑性变形 由于 二者 均为 良好 的塑 性 材料 因 此 由计 算 结 果 可 知 在阀体与 阀座的局部将会产生塑性变形 根据计算的各节点的变形量可以表明 只 要阀座和阀体接触部位的间隙合理 加载后阀 体 和 阀座 局部 会产 生塑 性变形 并 紧靠在 一 起 而不至于在作用力的反复作用下产生疲劳或继 续 出现裂 纹 反 之 如 果 间隙过 大 加 载 后 变形 量会超过 塑性变形 允许范 围 必 将 出现断 裂现象 造成 阀门泄漏 此时 应采取 补偿措 施 保证 焊缝 处及其他部 位的应 力值不再 出现 上升 的趋 势 3结论 计算 与分析 的结果 表明 阀座在 载荷的作 用下 其 变形 对焊缝及 密封 面 的应力 有很大 的 影响 如果 在装焊后 留有 0 2 mm 以上的 间隙 就会像 两端 固支的粱一 样 在密封面边缘 如 表 1数 据 中 的 3 1 8 2 7 4 4和 5 3节 点 处 产生过 大 的应力 造成密封 面 出现裂 纹及 阀座 焊接环缝 断裂 在使 用 上是 不安 全 的 对 此 提出 4点建议 阀座装焊后 应根 据 阀门的公称通径 和 结构 的不 同 控 镧 阀座 和 阀体 接触 面 间 隙 为 0 0 7 0 1 5 ram 阀座改 成方 案 2结构 将 其中所有应 力 槽底 部 圆 角 R l mm 改为 R 2 mm 以消 除 该 处产 生 集 中应力 右侧 应力 槽探度 2 mm 改 为 3 ram 以利 于 有效 地 限 定其 局部 塑 性 变 形 范围 水 压试验后 对焊缝 以及环 向槽 角进行 必要的无损探伤检查 由于工 艺水平 因素而 不能保证 阀座与 阀 体之 间的适 当间隙范 围 则应 该采取其 他补偿 措施 减小 间隙 参考文献 1 j 徐蠹 机械援计手册 M 北京 机械工业出版杜 1 99 3 2 G B T 5 1 1 8 1 9 9 5 低音盘锕焊条 s 3 徐秉业 弹塑性力学爰其应用 M 北京 机 械工 业 出版杜 1 9 8 4 4 赶 九江材料力学 M 暗尔蒜 t暗尔蒜工业 大学 出版 社 1 9 9 8 收稿 日期 2 0 0 0 1 1 8 诚 聘 本厂是 专 业生产美标 日标和 国标 等 高中压 阀门 的企 业 座 落于浙江省温州三桥 工