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高水头水轮机球阀压力试验封头受力分析以某高水头水轮机球阀压力试验封头构造为研究对象，介绍了球壳与锥壳组焊式压力试验封头的各组成部分，并利用有限元方法对其开展受力分析。利用应力线性化方法，提取了高应力区域组焊钢板的最大平均应力，并依据相应的应力考核标准对结果开展考核。1、概述

为了验证水轮机球阀的焊接质量和承载能力，需要对水轮机球阀开展压力试验。水轮机球阀压力试验中采用的阀体封头主要有铸造构造、球壳与锥壳组焊构造以及平板型构造。铸造构造封头受浇注质量影响，容易存在缺陷，导致压力试验时封头损坏。平板型构造封头制作相对简单，但是组焊焊接工作量很大，消耗大量金属材料。相比之下，球壳与锥壳组焊构造封头更具优势。本文以某高水头水轮机球阀压力试验封头构造为研究对象，分析了构造受力情况以及防止高应力的措施。2、有限元模型

压力试验封头属于对称构造，本文所研究的球阀压力试验封头含有20个立筋，利用其对称性切取包含1个立筋的1/20个封头作为计算模型(图1)，并选择每个节点具有3个自由度的20节点六面体单元SOLID95划分网格。在试验封头剖切出的2个对称面上施加对称边界条件，在试验封头螺栓连接处施加轴向约束，在试验封头内表面施加试验水压力11.5MPa。

压力试验封头是由各部分钢板组焊而成的，因此真空技术网(http:///)认为可以根据封头各部分的重要程度和应力水平而选用不同的金属材料。本文分析的构造中，封头本体(包括球壳、锥壳、圆筒和补强段)材料选用16MnR，立筋材料选用16MnR，法兰材料选用Q235(表1)。3、受力分析

对高水头水轮机球阀压力试验封头开展受力分析(图2)，构造最大vonmises应力为242MPa，属于局部应力，小于其对应的许用局部应力425MPa。封头存在4个主要的高应力区域，分别是锥壳与立筋连接处(S1)、锥壳与圆筒连接处(S2)、圆筒与补强段连接处(S3)以及法兰与补强段连接处(S4)。

图1球阀压力试验封头有限元模型

表1封头各部分材料及力学特性

图2试验封头vonmises应力分布

为保证试验封头组焊钢板的膜应力满足强度要求，针对4个高应力区域开展了应力的线性化分析(图3)。利用积分方法(即:沿着路径对应力开展积分，并除以路径长度)，分别提取各个高应力区域的最大平均应力，并按照相应许用应力开展考核，结果说明平均应力满足强度要求(表2)。

表2封头应力分析结果

(a)沿S1位置路径(b)沿S2位置路径(c)沿S3位置路径(d)沿S4位置路径

图3沿着高应力路径的应力分布4、结语

利用有限元方法以高水头水轮机球阀压力试验封头构造为研究对象

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