浮动球阀原理分析.docx

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1、优选浮动球阀原理分析1前言当流体介质为低沸点液体时，液体易气化形成饱和蒸汽压。如果阀体内腔留存了低沸点液体，在环境温度大于沸点时，阀体内腔会因受到大于阀体材料屈服应力而膨胀过度，乃至失效。如用于某流体供应系统的球阀在管道两端无介质情况下发生了大量介质泄漏。检查发现阀门密封圈因崩裂已失效，阀门球体部分破裂且整体变形严重，左右阀体连接螺栓的螺纹咬合卡塞无法调整，阀体连接处的密封调整垫片完全撕裂，阀座密封件撕裂，阀杆有明显变形，阀门内部介质残留较多。根据统计，流体系统曾多次发生过同类型球阀球体卡住和阀杆断裂现象，严重影响了

2、系统可靠性。因此，研究阀门故障产生机理对延长阀门的使用寿命和流体系统可靠性具有重要意义。基于计算机辅助工程（CAE）技术，对阀门进行静态分析与疲劳寿命分析。2结构及性能球阀由阀体、阀座、阀杆和驱动装置等组成，球体为浮动结构。利用球体绕阀杆的轴线旋转90°实现阀门的开启和关闭（图1）。球阀的截止作用是由金属球体在介质的作用下，与弹性阀座之间相互压紧来完成。阀座密封圈在一定的接触压力作用下，局部发生弹塑变形。这一变形可以补偿球体的制造精度和表面粗糙度，保证球阀的密封性能。1.阀座2.左阀体3.阀杆4.驱动装置5.球体6.

3、右阀体11/11优选图1阀门结构球阀公称通径为400mm，操纵气压力为5MPa，工作压力为1.6MPa，阀体材料为铸钢，球体材料为1Cr18Ni9T，密封材料为PTFE或PPL，材料许用应力500MPa，弹性模量E=172～206GPa，泊松比μ=0.25～0.3，使用寿命≤5000次。3失效机理阀门安装在管路通径为Φ400mm、流体介质为N2O4，环境温度约20℃（夏季）的流体供应系统中。使用过程中，阀门内腔为1MPa压力的满流状态，阀门操纵气压力为5MPa。阀门在关闭过程中，阀体内及其与球体之间的腔道中会积存大量

4、N2O4。在未进行阀门高点排气和低点放液的情况下，N2O4不能及时排出，阀门内部封闭空间充满N2O4、NO2的饱和蒸汽气体和液体混合物。当N2O4、NO2之间的可逆反应达到化学平衡时，其阀门内部压力超过了阀门设计压力，阀门球体和阀体产生不同程度的变形，阀门密封件发生撕裂破碎，阀门在动作过程中球体被卡住。经计算，球阀在关闭后未进行高点排气和低点放液的情况下，其内部形成的N2O4与NO2混合物在Φ400的球腔里达到化学平衡时的压力可达4.41MPa，超出了球阀的设计压力。4静力分析4.1预处理（1）建立模型。根据阀门实际

5、尺寸，利用ANSYSWorkbench软件对阀门整体及其内部球体分别建立仿真模型，并根据球体的实际受力情况，将阀体内部左、右密封垫一同建模（图2）。计算模型建立以后，将材料属性（如材料的弹性模量、泊松比等数据）输入计算程序中。11/11优选（a）球阀（b）球体（c）左阀体图2三维模型（2）网格划分。对球体和左阀体指定网格尺寸进行网格划分（图3）。（a）球阀（b）左阀体图3有限元模型（3）受力分析及加载约束。11/11优选根据阀门的组成结构和工作条件建立阀门受力分析和约束模型（图4）。阀门关闭后，阀门球体通腔以及球体与

6、阀体密封圈之间受到液体N2O4及气体NO2的压力作用。左密封圈、阀体内壁面、球体内、外壁面与右密封圈构成受力空间（图中A和B代表阀门左阀体两密封圈之间的空间受力情况，C和D代表球体两密封圈之间的内、外表面的空间受力情况）。球体受阀体内密封材料约束，除密封材料外其他部分不与阀体接触，球体与密封材料接触位置的变形量与球体非接触部位的变形量相比可忽略不计，所以可以将与密封材料接触的球体部位视为刚体。受力空间成为NO2可膨胀的空间。（a）球阀（b）球体（c）左阀体图4阀门受力分析和载荷约束模型由于受力过程中主要受力面集中在球

7、体和阀体间，为了简化分析，分别对球体及左阀体进行疲劳寿命分析。为便于分析比较，分别对球体和左阀体施加1MPa的工作压力和4.41MPa的超设计压力载荷。由于阀门关闭后，管路中的介质会被排出，球体两侧密封圈外将不受力的作用，只有两密封圈以内部分仍然受到残留N2O4的压力。根据实际情况，在球体左右密封圈之间的内、外表面加载静态力1MPa。约束为密封圈以及阀杆孔所在的4个面。左阀体加载区域为左阀体两密封圈之间的区域，将左阀体两侧边缘视为固定支撑。4.2结果分析（1）从球体在1MPa和4.41MPa下变形与实际对比云图（图5

8、）中可看出，球体向密封圈轴线方向发生膨胀，变成椭圆型，产生的原因应是球体两密封圈之间的内、外表面由于受到残留N2O4与NO2的压力，而受约束大于反向的膨胀力而无法膨胀，使球体产生变形。经计算，1MPa压力下最大变形量为0.02mm，4.41MPa压力下最大变形量0.09mm，计算结果与实际变形位置相吻合。变形集中位置在球体内腔阀杆连接处正下方，