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球阀阀杆的疲劳设计

作者: 2014年11月03日 来源: 浏览量:
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1概述在煤化工和多晶硅等生产系统的管线中,压力高,且交互变化,阀门开启次数频繁,需要长时间多次循环启闭运行。阀门全行程快速开关时间迅速,容易造成阀门的失效,对阀门的各项性能提出了严峻的考验。常规静载下

    1 概述

    在煤化工和多晶硅等生产系统的管线中,压力高,且交互变化,阀门开启次数频繁,需要长时间多次循环启闭运行。阀门全行程快速开关时间迅速,容易造成阀门的失效,对阀门的各项性能提出了严峻的考验。常规静载下测定的屈服强度设计原则不能作为唯一的强度指标,有必要考虑相关的疲劳设计原则。本文以球阀阀杆为例探讨疲劳分析设计方法。

    2 分析

    在交变压力作用下,即使零部件应力低于屈服强度,但长期反复作用后,也会发生突然断裂,即使是塑性较好的材料,在断裂前也没有明显的塑性变形,该现象即为疲劳失效。

    金属结构不会因为应力交变而发生变化。从微观组织结构分析,在足够大的交变应力下,金属中位置最不利或最弱的晶体,沿最大剪应力方向形成滑移带。滑移带开裂形成微观裂纹,在构件外形突变(圆角、切口、沟槽)或表面切痕或者材料内部不均匀性及其缺陷部位,也会由于较大的应力集中引起微观裂纹。分散的微观裂纹经过集聚,形成宏观裂纹。已经形成的宏观裂纹在交变应力作用逐渐扩展,随应力水平的高低时而持续时而停滞,此即为裂纹的扩展过程。即使该过程是缓慢的,并且是不连续的,但随着裂纹的扩展,构件表面逐渐削弱,削弱到一定极限,部件便突然断裂。很多零部件损坏是由于疲劳失效引起的。当构件应力不超过某一极限值,承受的循环次数可以无限增加,即构件可以经历无限次循环而不出现疲劳,该交变应力的极限值即为疲劳极限或持久极限。

    3 疲劳极限计算

    阀门开关循环过程中,通常遵循“顺关逆开”的原则,防止阀门误操作而发生事故。以口径为12in.(300mm),压力为600磅级的频繁启闭的球阀阀杆为例作相关介绍。阀门开关过程中方向发生变化,阀杆承受的扭矩方向也相应发生变化。

    (1)主要危险横截面

    由弹性力学分析,阀杆扭转时,在横截面的边缘剪应力最大(图1),其数值为

        (1)

    式中 T———阀杆所受扭矩(取T=27.660),kN•m

    Wt———阀杆扭转截面系数,mm3

    阀杆的Ⅰ-Ⅰ截面,WtⅠ-Ⅰ=c3/4.8=803/4.8=2.458m3,则τⅠ-Ⅰ=11.25MPa。阀杆的Ⅱ-Ⅱ截面,WtⅡ-Ⅱ=πd4/32=3.14×994/32=9.426m3,则τⅡ-Ⅱ=2.94MPa。

    沿阀杆径向在阀杆表层取单元体M(图2),各面上的应力为

图1 阀杆尺寸

图2 单元体受力分析

    σxy=0,τxy=τ,此即为阀杆的纯剪切应力状态,即

        (2)

        (3)

    剪应力的两个主应力绝对值相等,方向相反,大小均等于τ,但一个为拉应力,一个为压应力,阀杆扭转时,表面各点最大的σmax所在的主应力平面连接倾角为45°的螺旋面,该螺旋面因为拉伸而发生断裂破坏。逆时针方向(开)时,σ1k’=σmaxkk,σ2k’=0,σ3k’=σmink=-τ。顺时针方向(关)时,σ1g’=σmaxg=-τg,σ2g’=0,σ3g’=σming=τ。

    阀门开关循环过程中,阀杆承受的扭矩方向发生变化,循环中波动应力方向随之发生了改变,则一个完整循环中,最大波动应力的波动范围σ1”=σmax=2τ,σ2”=0,σ3”=σmin=-2τ。相对应的主应力σ1=2τ,σ2=0,σ3=-2τ(取顺时针方向应力为极值应力)。

    最大的主应力波动范围S1212=2τ,S2323=2τ,S3131=-4τ。主应力方向改变,交变应力幅Sa=│0.5×S31│=│0.5(σ31)│=2τ。对于阀杆危险截面Ⅰ-Ⅰ和Ⅱ-Ⅱ代入数据,SaⅠ-Ⅰ=2×11.25=22.5MPa,SaⅡ-Ⅱ=2×2.94=5.88MPa。

    阀杆材料选用高强度沉淀硬化不锈钢ASTNA638660,按照ASMEⅧ卷第二册中的设计疲劳曲线分析(图3),阀杆Ⅰ-Ⅰ和Ⅱ-Ⅱ截面可以承受的循环次数均超过了1000000次,满足设计和工况要求。

图3 疲劳曲线

    (2)有限元分析

    使用solidworks软件对阀杆进行有限元疲劳分析(图4),其与计算结果一致。

(a)阀杆寿命周期        (b)阀杆寿命周期损坏百分比

图4 阀杆有限元疲劳分析

    4 结构改进

    为了有效提高阀杆的疲劳强度,改进了阀杆结构。

    (1)完全避免常规键槽机构、孔、缺口和轴肩,阀杆端部连接改用光滑的矩形结构,轴肩过渡部位采用尽量大的圆角过渡,加工过渡处设置减荷槽和退刀槽,有效降低应力集中,提高阀杆疲劳强度。

    (2)提高阀杆表面质量,阀杆的最大应力发生于表层,疲劳裂纹也经常在表层发生,加工过程中杜绝表面加工的刀痕和擦伤等,防止应力集中降低疲劳极限。采用高强度沉淀硬化不锈钢,表面喷涂高硬度硬质合金后再磨削加工,硬度达60HRC,再进一步利用专用设备,机械滚压形成高质量的表面加工,表面粗糙度达Ra0.4μm,还使表层形成预压应力,减弱容易引起裂纹的工作拉应力,保证充分发挥高强度的性能,显著提高构件的疲劳极限。

    (3)在阀杆两端设置两处支撑轴承,减小阀杆径向摆动,减轻非平衡载荷,有效提高阀杆运行稳定性,保证阀杆长周期运行。

    (4)阶梯形阀杆,大头端置于阀体内腔,小头端伸出阀体外部,一旦阀杆发生破坏,危险截面位于阀体外,为系统提供安全保障。

    5 结语

    随着科技的进步和发展,频繁开关阀门必将得到更加广泛的应用,采用疲劳强度设计方法应当引起足够的重视。

 

 

 

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