有限元技术实现加氢阀阀体的构造设计

有限元技术实现加氢阀阀体的构造设计针对加氢阀高危工况，设计了阀体整体锻造构造。针对阀体材料、流道形式、整体锻造构造对阀体质量影响的复杂性，采用有限元分析软件Patran开展强度分析，得到该阀体在最大工况时各个方向的应力和变形，验证了阀体零件构造设计的合理性，为特殊阀门阀体的构造设计提供了一种方法，也为后续的优化设计工作提供了依据。

引言

加氢阀是用于介质中含有工业氢的易燃、易爆场合的特殊阀门。基于加氢阀的高危工况，目前国内石化行业基本采用进口高压加氢阀门，为了加快国产加氢阀的进程，确保加氢阀的质量，采用先进的有限元技术对加氢阀关键零件如阀体开展构造设计显得尤为必要。本文以某闸阀为例，依据API600等美国石油学会标准及以色列石油公司等客户要求，提出了加氢阀阀体的构造设计方案，针对阀体材料、流道形式、整体锻造构造对阀体质量影响的复杂性，利用SolidWorks建立了阀体的三维实体模型，给出了阀体最大工况时的边界条件，使用有限元分析软件MSC.Patran对其开展了强度分析，获得该阀体在各个方向的受力和变形，得到阀体构造的最大应力部位，验证了阀体零件设计的合理性。1、阀体构造设计1.1、基本参数

闸阀的技术参数如下：

公称通径：8英寸，即203.2mm;

公称压力：1500Lb，即25MPa;

适用温度：-29℃～+427℃。1.2、阀体材料及热处理

在满足氢腐蚀的根底上，依据Couper曲线中高温H2S+H2对各种钢材的腐蚀率选择适宜的阀体材料，如WC6(F11)、WC9(F22)、F321、F304、A105N等。依据ASMEB16.34及客户订单要求，加氢装置阀门材料一般选用A105N、F22、F321。其中A105N材料的主要化学成分为：C的质量分数≤0.23%、P的质量分数≤0.035%、S的质量分数≤0.025%;其热处理状态为正火。F321的热处理状态为固溶+(850～870)℃正火处理。F22锻件须为A182F22Class3，抗拉强度不超过690MPa，热处理为正火+730℃回火。1.3、阀体的构造

阀体采用整体锻造构造，组织致密，表面质量好。阀体的流道采用全通径式设计，其流道孔径与阀门公称通径基本相同。阀体壁厚、阀体端法兰、构造长度等构造尺寸设计依据API600《钢制闸阀—法兰连接或对焊端、螺栓连接阀盖》及ASMEB16.34《阀门—法兰连接端、螺纹连接端和对焊端》等标准的规定。

阀体零件图如图1所示。

图1阀体零件简图2、阀体有限元模型的强度分析2.1、已知条件

加氢阀阀体的材料选用A105N，材料屈服强度≥250MPa，合格供给商材质报告中的屈服强度为360MPa，抗拉强度≥485MPa，弹性模量为202GPa，泊松比为0.30。

阀体内压为25MPa。2.2、边界条件

(1)通道二端口焊接无限长管道尺寸为Φ219.1mm×Φ174.5mm。

(2)A-A自密封部位受25MPa内压力以及阀盖自密封产生的径向分力2221.6kN，自严密封圈对阀体的比压为102.7MPa，阀盖与阀体密封连接后，可作为中间刚性板。

(3)Tr270×6梯形螺纹面承受介质压力为1276.8kN。

(4)5/8-11UNC螺纹处承受闸板关闭时的作用力为299.8kN。

(5)阀体中腔与通道交汇中心，受沿通道轴线方向闸板与阀座的密封力为402.6kN。2.3构造强度分析

2.3.1、阀体有限元模型的建立

加氢阀阀体零件为带圆孔的锻件构造，各连接处有过渡圆角、倒角，其构造相对复杂，所以在实体建模时应对模型开展必要的简化。根据圣维南原理，对阀体的部分局部特征如倒(圆)角、螺钉孔等开展了适当的简化，简化后利用SolidWorks建立阀体的三维模型，如图2所示。

图2阀体三维模型图

2.3.2、划分网格

采用Patran中TetMesh网格生成器，用GlobalEdgeLength方法控制网格的疏密，用10节点四面体单元划分节点和单元，完成阀体网格的划分。

2.3.3、加载位移和压力的约束

按照边界条件的要求，在MSC.PatranLoads/BCs模块下完成阀体边界条件的加载，并在Materials和Proper模块下完成阀体材料弹性模量和泊松比的设定。加载完后的有限元模型如图3所示。

图3阀体有限元模型图

2.3.4、结果求解

在Analysis模块下，调用Nastran求解器开展线性求解，可得阀体的应力云图，如图4所示。

图4阀体应力云图3、结果分析

从图4中可以清晰地发现，在载荷作用下，该零件工作时产生的最大应力为220MPa，低于材料的屈服极限250MPa，低于合格供给商材质报告中的屈服强度360MPa，其安全系数到达1.6;由图4中还可看到，大部分应力在118MPa以下，只有在阀体中腔与通道交汇处产生了局部的应力集中，但低于材料的屈服极限250MPa。通过以上分析结果可以得出结论，该零件的构造合理，选择的材料是可靠的，能够承受工作时的载荷。4、结束语

(1)基于有限元技术实现加氢阀阀体的构造设计，为现阶段锻钢加氢阀国产化提供了一种方法，为我国多向模技术推广提供了一种途径。

(2)通过有限元分析可知该阀体零件工作时产生的最大应力为220MPa，低于材料的屈服极限250MPa，低于合格供给商材质报告中的屈服强度360MPa，可承受高