， ， ，

(1.北京航天石化技術(shù)裝備工程有限公司，北京 100176； 2.北京航天動力研究所，北京 100176)

RPB系統(tǒng)用角型調(diào)節(jié)閥LV2801，是一種用于非固定床加氫減壓系統(tǒng)加氫反應(yīng)器工藝流程的專用閥門，其通常位于高低壓分離器間，具有高壓差(20～25MPa(g))、高溫(450～550℃)、高含固(8%～50%)的多相流閃蒸使用工況，閥門的主要功能是控制上下游設(shè)備間的液位平衡，以確保工藝流程長周期運行。

裝置實現(xiàn)可靠、穩(wěn)定的運行，其出入口閥門在惡劣工況下的長期穩(wěn)定工作是必備條件，使用壽命和免維護周期直接關(guān)系到反應(yīng)器乃至整個裝置的產(chǎn)能和產(chǎn)值，所以角型調(diào)節(jié)閥的可靠運行是非常重要的。閥體作為角型調(diào)節(jié)閥的重要零件，其安全運行是確保角型調(diào)節(jié)閥正常運行的先決條件。由于角型調(diào)節(jié)閥閥體結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，很難用理論公式對其進行強度分析，并且一般近似公式計算方法不能完整反映整個閥體應(yīng)力的分布情況[1]，不利于設(shè)計者對閥體結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計。

本文對角型調(diào)節(jié)閥閥體進行分析，以閥體集中應(yīng)力處的最大等效應(yīng)力為目標(biāo)函數(shù)[2]，結(jié)合閥體壁厚和閥體流道壁厚等參數(shù)進行有限元分析和優(yōu)化設(shè)計[3]，對影響閥體結(jié)構(gòu)強度的參數(shù)采用一階優(yōu)化方法進行有限元優(yōu)化計算。

1 閥體強度的有限元分析

1.1 閥體材料性能

角型調(diào)節(jié)閥閥體材質(zhì)為F347，材料的彈性模量E=195GPa，泊松比μ=0.27，屈服強度σs=205MPa(g)，抗拉強度σb=485MPa(g)，密度ρ=8 000kg/m3。

1.2 閥體模型

閥體通過在ANSYS Workbench中建立模型。由于閥體螺栓孔較多，為了節(jié)省時間為后面優(yōu)化設(shè)計的可靠性分析做準(zhǔn)備，角型調(diào)節(jié)閥閥體模型簡化后見圖1，對閥體網(wǎng)格的劃分見圖2，靜力結(jié)構(gòu)計算適用于ANSYS提供的三維模型四面體網(wǎng)格劃分，可獲得較好的計算精度，結(jié)構(gòu)分析采用二次四面體單元。

圖1 模型

圖2 網(wǎng)格劃分

1.3 邊界條件和載荷

在出口端面法蘭施加固定約束，中法蘭端面Z方向施加約束，根據(jù)閥門API 598可知，公稱壓力為42MPa(g)，強度試驗壓力為63MPa(g)，壓力作用在內(nèi)表面，忽略中法蘭螺栓預(yù)緊力和閥體自重。

1.4 分析計算結(jié)果

在閥體強度試驗壓力63MPa(g)的條件下，按照第四強度理論求得的閥體等效應(yīng)力見圖3，閥體最大等效應(yīng)力為232MPa(g)，材料屈服強度σs=205MPa(g)，最大等效應(yīng)力超出閥體材料屈服強度范圍。由于中法蘭方向閥體與流道方向的閥體相貫位置形狀發(fā)生突變，有明顯的應(yīng)力集中，將會降低閥門的使用壽命，因此，有必要從角型調(diào)節(jié)閥閥體的安全、可靠和經(jīng)濟的角度，對閥體壁厚尺寸進行優(yōu)化設(shè)計，以減少閥體的應(yīng)力集中現(xiàn)象，保證閥體的強度。

圖3 閥體等效應(yīng)力分布云

2 閥體優(yōu)化設(shè)計

2.1 影響閥體結(jié)構(gòu)強度的參數(shù)

從角型調(diào)節(jié)閥閥體的安全、可靠和經(jīng)濟的角度考慮，由圖3的閥體等效應(yīng)力可知，閥體最大應(yīng)力位置在中法蘭方向，閥體與流道方向的閥體相貫位置，所以閥體壁厚及相貫位置的圓角均有較大的影響，對此進行優(yōu)化設(shè)計。閥體結(jié)構(gòu)參數(shù)見圖4，中法蘭處外徑P10 、閥體與流道連接位置壁厚P9和P11、流道處外徑P3以及閥體流道處圓角RP1和RP2作為優(yōu)化參數(shù)。因此，以下將對設(shè)計6個閥體強度有影響的結(jié)構(gòu)優(yōu)化參數(shù)作為優(yōu)化變量。設(shè)計變量見表1。

圖4 閥體結(jié)構(gòu)參數(shù)

設(shè)計變量初始值/mm最小值/mm最大值/mmP115930P215930P3235200240P9200180210P10485460500P11200180210

2.2 閥體結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

為了減少閥體應(yīng)力集中的現(xiàn)象，使應(yīng)力分布更加均勻并滿足強度要求，將應(yīng)力集中處的最大等效應(yīng)力最小化作為優(yōu)化目標(biāo)[4]，閥體結(jié)構(gòu)的基本尺寸作為設(shè)計基本變量，對閥體進行優(yōu)化設(shè)計。

2.2.1 靈敏度分析

對于閥體的優(yōu)化，通過靈敏度分布圖(見圖5)，可知每一個輸出參數(shù)與對應(yīng)輸入?yún)?shù)的靈敏度[5]。由靈敏度分析圖可知，閥體的P1、P9、P10和P11對整個閥體應(yīng)力的靈敏度影響較大，P10對閥體質(zhì)量的靈敏度影響較大。

圖5 靈敏度分布圖

2.2.2 參數(shù)對等效應(yīng)力的影響

在優(yōu)化模塊中得出響應(yīng)曲線圖，其中，P3對閥體等效應(yīng)力的影響見圖6，隨著流道外徑P3的增加，等效應(yīng)力呈減小趨勢，在外徑P3為225mm時，等效應(yīng)力小于屈服應(yīng)力；P9對閥體等效應(yīng)力的影響見圖7，隨著流道外徑P9的增加，等效應(yīng)力呈先減小后增大的趨勢，在壁厚195mm時，等效應(yīng)力的最大值為最??；P10對閥體等效應(yīng)力的影響見圖8，隨著閥體外徑P10的增加，等效應(yīng)力呈先減小后增大的趨勢，在閥體外徑480mm時，等效應(yīng)力的最大值為最小；P11對閥體等效應(yīng)力的影響見圖9，隨著閥體外徑P11的增加，等效應(yīng)力呈先減小后緩慢增大的趨勢，在P11為198mm時，等效應(yīng)力的最大值滿足小于屈服應(yīng)力，且P11大于204mm，其增加會引起閥體等效應(yīng)力的增大，但影響程度比較?。籔1和P2對閥體等效應(yīng)力的影響見圖10和圖11，隨著閥體圓角P1和P2的增加，等效應(yīng)力呈先減小后增大的趨勢，在P1和P2分布為25mm和21mm時，等效應(yīng)力的最大值為最小。

圖6 P3閥體等效應(yīng)力影像

圖7 P9閥體等效應(yīng)力影像

圖8 P10閥體等效應(yīng)力影像

圖9 P11閥體等效應(yīng)力影像

圖10 P1閥體等效應(yīng)力影像

圖11 P2閥體等效應(yīng)力影像

2.2.3 優(yōu)化結(jié)果及分析

輸入變量為P9和P10應(yīng)力強度設(shè)計空間分析圖見圖12，閥門的最大應(yīng)力由237MPa(g)降到204MPa(g)，降低14%；輸入變量為P10和P11應(yīng)力強度設(shè)計空間分析圖見圖13，閥門的最大應(yīng)力由230MPa(g)降到202MPa(g)，降低12%；輸入變量為P1和P2應(yīng)力強度設(shè)計空間分析圖見圖14，閥門的最大應(yīng)力由232MPa(g)降到201MPa(g)，降低13%；輸入變量為P3和P9應(yīng)力強度設(shè)計空間分析圖見圖15，閥門的最大應(yīng)力由225MPa(g)降到199MPa(g)，降低11.5%。

圖12 P9和P10應(yīng)力強度設(shè)計空間分析

圖13 P10和P11應(yīng)力強度設(shè)計空間分析

圖14 P1和P2應(yīng)力強度設(shè)計空間分析

圖15 P3和P9應(yīng)力強度設(shè)計空間分析

經(jīng)過有限元優(yōu)化程序優(yōu)化影響閥體強度的6個參數(shù)，保證閥體受力強度，且有效減小閥體的等效應(yīng)力，閥體結(jié)構(gòu)改進前后結(jié)果見表2。

表2 閥體結(jié)構(gòu)改進前后結(jié)果

對改進后的模型進行有限元分析，材料、約束和載荷與改進前相同，網(wǎng)格劃分根據(jù)模型改進后重新劃分，計算結(jié)果見圖16，從圖中可看出，相比前述應(yīng)力集中部位有了明顯的減小，且應(yīng)力分布更加均勻；改進后閥體的等效應(yīng)力最大值仍然在閥體相貫位置，但是最大應(yīng)力為196MPa(g)，小于屈服強度，比優(yōu)化最大等效應(yīng)力減小了15.5%，保證了閥體的強度，滿足強度試驗要求。

圖16 優(yōu)化后閥體等效應(yīng)力云圖

3 結(jié)語

(1)本文利用 Workbench 的響應(yīng)面優(yōu)化方法對閥體的6個設(shè)計變量進行了系統(tǒng)分析和優(yōu)化，使閥體的整體強度得到了有效的提升，改進后的閥體最大等效應(yīng)力降低了15.5%，使閥體應(yīng)力集中處應(yīng)力值明顯降低，改善了閥體的應(yīng)力分布，使其結(jié)構(gòu)更加合理。

(2)優(yōu)化后的閥體壁厚有所減少，重量降低了6.9%，節(jié)約了制造成本，體現(xiàn)出優(yōu)化帶來的經(jīng)濟效益和結(jié)構(gòu)優(yōu)化的重要意義。

(3)閥體的可靠性滿足要求，由靈敏度分析可知，可通過改變閥體壁厚尺寸來改進閥體結(jié)構(gòu)的可靠性。