高压长输管线固定球阀有限元优化设计

（铜陵科力阀门有限责任公司，安徽 铜陵 244151）

摘 要：新技术和新材料在阀门制造中的应用，以及新加工工艺的使用，使得阀门设计和制造水平得到了很大程度地提高。有限元阀门优化设计软件在高压长输管线固定球阀设计中发挥着重要的作用。本研究综述了高压长输管线固定球阀概述、有限元分析以及结构耦合优化设计等内容，目的在于给管线球阀设计提供一定的思路。

关键词：高压长输管线;固定球阀;有限元;优化设计

管道输送在我国发展的非常迅速，液体石油、天然气都是通过管道来输送，但是管道输送最关键的是防止气、油泄露，阀门是管道系统中的重要组成部分，阀门的质量直接影响气、油输送安全，所以保证阀门质量就显得尤为重要。阀门设计、制作过程均会影响阀门质量，所以如何保证阀门设计和制造质量，就成了很多阀门制造企业非常关注的问题。在阀门优化设计中，有限元优化设计软件起到了至关重要的作用，给阀门质量提供了一定的保障。

1 高压长输管线固定球阀概述

1.1 管道球阀的结构特点

球阀是输送管道系统中较为关键的部分，球阀在这个输送系统中扮演着重要的角色。球阀在系统中能够发挥作用与它的结构特点存在很大的关系，通常情况下，球阀主要由阀体、球体、阀座、阀杆以及传动装置构成，而常用的管道球阀又由浮动球结构和固定球结构两部分构成。不同类型的球阀具有不同的结构特点，比如说浮动式球阀的球体是可以浮动的，如果受到压力的作用，球体就会被压到出口一侧的密封圈上，这时候由于形成了单密封。这种球阀具有结构简单、单侧密封性好的特点，不过这种球阀的开启与闭合的力矩较大;然而，固定式球阀有上下转轴，因此球体可以沿着阀门垂直轴线进行转动，但它不能进行侧向移动。另外，常用的阀体主要有全焊接阀体、两段式螺栓连接阀体、三段式螺栓连接阀体以及顶装式阀体四种[1]。

1.2 管道球阀存在的问题

球阀具有使用寿命，在使用过程中很可能由于各种原因而存在一定的问题，通常情况下，常见的球阀问题主要体现在以下方面：（1）球芯开关不到位。这个问题主要是说，当球阀的轴端刻线处于水平位置时，指示球阀关闭，但是由于长时间球芯磨损，所以导致阀杆与球体旋转不同步，这就引起了旋转误差;（2）球芯表面镀铬处理不当。球阀制造时，通常在球芯表面镀铬，这样可以增强球芯的耐磨性和气密性，但是铬层孔隙较多，这使得在其表面直接镀铬防腐效果不佳，所以需要进行细致处理，但通常这种处理做的都不够细致;（3）阀座材料不适于管道球阀的使用工况。这些都是管道球阀存在的问题，需要给予足够的重视。

1.3 管道球阀结构形式的确定

管道球阀结构不仅决定了它的用途，而且在一定程度上影响着球阀的质量。所以在球阀制造过程中，一定要先确定球阀结构。三段式双向密封固定球阀具有较大的优越性，其流体阻力小，而且结构简单、重量轻、体积小，最关键是它的密封性好，因此三段式双向密封固定球阀在实际应用过程中较为常见。不过球阀生产与应用还要结合实际，根据生活中的使用需求来设计结构，只有这样才能物尽其用。

2 有限元分析

2.1 密封圈轴对称模形接触有限元分析

有限元方法的基本思路是以连续体离散化方法为载体，寻求满足条件的有效值。该方法解决问题主要通过求解联立方程组，解出的数值与连续体中的离散点相近。在阀门设计优化过程中，主要利用有限元软件来实现，一个完整的有限元程序包含了前置处理、求解程序、后置处理以及时间历程后置处理等。在利用有限元求解问题的过程中，面临的关键问题就是如何将接触面条件适当引入求解过程。而且在有限元计算过程中涉及了几个重要的参数，包括节点荷载、单元应力、单元应变、位移函数，这几个参数都是有限元计算中非常重要的。

另外，阀门密封问题分析时，需要建立有限元分析模型。阀门密封中涉及到密封圈问题，密封圈边界条件比较复杂，所以分析时应该进行整体分析，通常情况下药依据密封结构的几何形状、形状以及其它条件，可将密封圈分析模型可简化为对称模型[2]。

2.2 活动套筒平面应变及主密封弹塑性有限元分析

在利用有限元分析时，通常会应用到平面应变问题有限元法和弹塑性问题的有限单元法，在使用这两种方法时需要注意一些问题，比如说在使用弹塑性问题的有限单元法时，必须以增量的方式表示，这是因为在弹塑性问题中，材料的性质和应力、应变的历史有关。另外，在阀门设计时还会面临大位移问题，对此要采用虚位移原理来建立有限元平衡方程。

阀门设计中有两个重要内容，即阀座及活动套筒的设计。在阀座及活动套筒设计设计时，要考虑的因素有密封面材料、活动套筒与阀座三维图、活动套筒阀座截面密封有限元计算、密封比压计算以及固定球阀密封力计算等。

3 结构耦合优化设计

3.1 壳体计算

阀门是管道系统的重要组成部分，它承担着许多功能，如它在不同介质的压力、温度下进行开启、减压、调节等功能，因此阀门承压边界的完整性和安全性是需要着重考虑的问题。阀门设计时要加强对壳体的计算，壳体计算时需要考虑壳体材料和壳体厚度两个因素。壳体材料好坏会直接影响到制造工艺、质量以及成本，所以在选用壳体材料时，要综合地考虑多方面的因素，包括导热性能、工艺性能、耐腐蚀性以及热膨胀性等。阀体壁厚的计算是阀门设计的重要环节，通常情况下，壳体计算主要是根据指定的设计标准进行，但是因为阀体选材不在壳体壁厚规定的范围之内，所以只能通过计算来确定壁厚[3]。

3.2 优化设计

优化设计模型在解决实际问题中起着非常关键的作用，通常情况下确定设计变量、约束条件及目标函数之后就可以生成模型，通过数学模型计算相应的参数和变量。数值迭代是优化设计中常用的方法，其优化的基本思路是搜索、迭代、逼近。搜索主要是指根据优化方法规定的原则来确定搜索的方向，迭代是指搜索过程的重复，通过逐步的迭代计算确定出一个最佳值。迭代终止具有一定标准和原则，包括当相邻的两个迭代点之间的距离充分小时，可以终止迭代;当相邻迭代点的目标函数值的下降或相对下降量充公下时，也可终止迭代;当目标函数在迭代点的梯度已达到充分小时，终止迭代。

在实际优化设计过程中，主要利用有限元设计软件进行。此软件优化设计的步骤主要包括生成分析文件、构建优化控制文件、根据已完成的优化循环和当前优化变量的状态修正设计变量，重新投入循环、查看设计序列结果及后处理设计结果。

3.3 壳体有限元计算

壳体有限元计算也是阀门有限元优化设计中重要的环节，在壳体有限元计算时，不仅要考虑结构的稳定分布，而且还要了解温度变化而引起的结构应力分布，这主要是因为结构体系的温度发生变化时，结构会膨胀或收缩，而且如果膨胀或者收缩程度不同，就可能产生热应力。壳体计算发现，经有限元分析得知由公式计算出来的壳体壁厚略小于有限元分析得出的最优壁厚，应用有限元优化，这样才能得到最优值。

4 结语

总而言之，阀门是管道系统中重要的部分，但同时阀门的质量直接影响了管道系统的运输安全，所以无论是阀门设计，还是阀门制造都需要严格控制质量，在阀门设计时要充分地利用有限元优化方法来优化，给阀门质量提供更大的保障。

参考文献：

[1]肖念新，刘春霞，李智会，李锦泽，康维民，潘丽玮.基于Pro/E小型播种机的三维设计[J].农机化研究，2011（09）：16-18.

[2]刘扬，刘汇源.高温硬密封球阀密封结构研究[J].阀门，2013（04）：25-27.

[3]陈鑫，吴福迪，王立峰，赵云峰.大缝隙密封的几种异型截面橡胶密封结构的有限元分析[J].强度与环境，2012（04）：31-33.