吳勝，劉惺，何慶中，梅靜，胡冬

（1.四川化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 瀘州 646000；2.四川輕化工大學(xué) 機械工程學(xué)院，四川 宜賓 644000）

0 引言

地震是造成天然氣運輸管線出現(xiàn)事故的重要原因之一。線路截斷閥（室）是安裝在天然氣管線的重要設(shè)備，能夠在緊急時刻或者維修時截斷天然氣供應(yīng)，按照國內(nèi)外標準[1-4]，在天然氣輸送線上線路截斷閥（室）的安裝距離不得大于30 km，僅“川氣東送”管線工程沿線就設(shè)有截斷閥（室）74座，因此作為截斷閥（室）內(nèi)關(guān)鍵部件全焊接球閥在地震中的安全性是人們重點關(guān)注的對象。

目前較多學(xué)者對閥門在地震災(zāi)害下的安全性進行了研究，如董學(xué)蓮等[5]為確定核一級楔形雙閘板閘閥的抗震性能，利用等效靜力法計算了該核電閘閥在設(shè)計工況、溫度、自重等載荷下的抗震性能，同時為了減小載荷疊加產(chǎn)生的誤差，采用SRSS法對計算結(jié)果進行振型組合，并結(jié)合ASME規(guī)范對危險位置進行評定，結(jié)果表明該閘閥在地震災(zāi)害下不會發(fā)生破壞。劉平等[6]通過理論分析，確定了“華龍一號”主給水隔離閘閥的重心、危險截面及一階固有頻率，從理論的角度分析了采用卡箍結(jié)構(gòu)的好處，然后對結(jié)構(gòu)進行有限元分析，并將有限元分析結(jié)果與理論推導(dǎo)計算結(jié)果對比驗證，據(jù)此提出了一種通過改善結(jié)構(gòu)固有頻率來保證閥門抗震性能的結(jié)構(gòu)，然后搭載地震靜力試驗臺，驗證了該結(jié)構(gòu)的合理性。李樹勛等[7]為確保全焊接球閥在地陷、山體滑坡等情況下具有足夠的強度和密封性，提出用于理論推導(dǎo)的分析模型，理論推導(dǎo)得到球閥在外載荷作用下的最大彎曲載荷；然后將理論計算結(jié)果同仿真結(jié)果進行對比，驗證了理論推導(dǎo)的正確性。

目前國內(nèi)外對于機械結(jié)構(gòu)抗震的分析計算主要有3種方法：等效靜力法、振型分解反應(yīng)譜法和時程分析法。等效靜力法不考慮結(jié)構(gòu)的彈塑性變形，它將復(fù)雜的地震載荷等效為3個方向上的慣性力施加在結(jié)構(gòu)上，求得結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)；等效靜力法不能反映結(jié)構(gòu)的動力特性，同時計算結(jié)果較保守。時程分析法考慮了結(jié)構(gòu)的彈塑性變形，能夠反映結(jié)構(gòu)的動力特性，但計算復(fù)雜且時間長，一般只用于大型重要結(jié)構(gòu)的補充校核計算。振型分解反應(yīng)譜法能在一定程度上反映結(jié)構(gòu)的動力特性，同時計算又簡單、省時，是目前結(jié)構(gòu)抗震最常用的方法。因此本文采用振型分解反應(yīng)譜法計算某公司生產(chǎn)的全焊接球閥的地震響應(yīng)，研究全焊接球閥的自振特性及在地震中結(jié)構(gòu)的受力特點[8]。

1 振型分解反應(yīng)譜法

振型分解反應(yīng)譜法是利用單自由度體系的抗震加速度設(shè)計反應(yīng)譜、振型分解及其振型正交性原理，進而來計算多自由度體系地震響應(yīng)的計算方法。本文使用考慮扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)的振型分解反應(yīng)譜法，先求解結(jié)構(gòu)各階振型的等效地震響應(yīng)，然后對各階振型的地震響應(yīng)按一定的方式進行組合，最終得到多自由度體系的地震響應(yīng)。結(jié)構(gòu)i階振型在j質(zhì)點的單向地震作用按下式計算[9]：

式中：Fij為i階振型下j質(zhì)點的單向地震慣性力；Mij為i階振型j質(zhì)點的彎矩；αi為對應(yīng)i階振型自振周期的地震影響系數(shù)，通過查找建筑抗震設(shè)計規(guī)范的設(shè)計反應(yīng)譜曲線得到；Xij為i階振型下j質(zhì)點的單向位移；rj為j質(zhì)點繞該方向轉(zhuǎn)動軸的慣性半徑；φij為j階振型下i質(zhì)點的相對轉(zhuǎn)角；Gj為質(zhì)點i的質(zhì)量。

由式（1）、式（2）可求得結(jié)構(gòu)各質(zhì)點在各階振型下的地震響應(yīng)，然后將求得的地震載荷施加在結(jié)構(gòu)上，計算得到結(jié)構(gòu)各質(zhì)點的內(nèi)力及位移，最終得到整個結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和位移。利用振型分解反應(yīng)譜法進行抗震分析計算時，振型數(shù)量的選取對計算結(jié)果精確度有較大的影響，根據(jù)參考文獻[10]～[12]，當結(jié)構(gòu)的振型的質(zhì)量累計分數(shù)達到1時，即可保證計算結(jié)果有較高的精度。

2 計算模型及邊界條件

本文以某公司生產(chǎn)的全焊接管線球閥為分析計算模型，該球閥主要由閥體、閥桿、球體、壓蓋等組成，建模時忽略對計算影響不大的結(jié)構(gòu)及特征，并且將執(zhí)行結(jié)構(gòu)等效為一個有質(zhì)量的點加載在執(zhí)行機構(gòu)重心位置；同時為使計算結(jié)果更接近真實，在閥體兩端增加5倍管徑長的管線；建立三維模型并利用ANSYS 劃分網(wǎng)格（如圖1）。全焊接球閥管線系統(tǒng)工作介質(zhì)壓力為10.7 MPa，溫度為20 ℃；閥蓋、閥座、閥芯和閥桿等主要承壓構(gòu)件材料為A694-F65，管道材料為X80，材料物理屬性如表1所示。

表1 全焊接球閥主要材料屬性

圖1 全焊接球閥網(wǎng)格

邊界約束條件對全焊接管線球閥的頻率和模態(tài)振型有較大的影響，因此，為保證模態(tài)分析結(jié)果準確可靠，根據(jù)全焊接管線球閥實際安裝工況設(shè)置約束條件。在使用全焊接管線球閥時，通過螺栓將閥座連接在地面上，兩側(cè)與管道焊接；因此，球閥底座采用固定約束，球閥兩端采用位移約束，分別限制管道兩側(cè)豎直方向和徑向的運動；在閥門的對稱面上添加對稱約束，對稱方向為Z軸方向。

3 反應(yīng)譜的選取

目前還沒有關(guān)于天然氣管線及其關(guān)鍵設(shè)備的抗震規(guī)范，因此參考《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》中的規(guī)范反應(yīng)譜[13-15]。為使計算結(jié)果更接近真實情況，首先根據(jù)汶川地震制作規(guī)范反應(yīng)譜，從PEER （Pacific Earthquake Engineering Research Center）地震數(shù)據(jù)庫選取真實的地震記錄，然后利用MATLAB軟件編程計算得到的結(jié)構(gòu)阻尼比ζ=0.05%的三向標準加速度反應(yīng)譜，如圖2所示；其中縱向表示管道軸線方向，橫向表示水平垂直管道軸線的方向，豎向表示重力加速度的方向。利用 MATLAB中的快速傅里葉變換（FFT） 計 算得到ANSYS計算所需的頻域數(shù)據(jù)，結(jié)果如圖3 所示。

圖2 加速度反應(yīng)譜

圖3 地震載荷分析果

4 振型分解反應(yīng)譜計算

4.1 結(jié)構(gòu)自振特性分析

系統(tǒng)的自振特性主要由固有頻率和振型組成，自振特性決定了系統(tǒng)對地震的響應(yīng)。本文利用ANSYS 軟件中的分塊Lanczos 算法計算得到球閥前10階模態(tài)信息，結(jié)果如表2所示，文中僅給出前6階模態(tài)信息。根據(jù)表2可以發(fā)現(xiàn)，球閥的前6階振型的質(zhì)量累計分數(shù)已經(jīng)達到1，滿足分析計算要求。

表2 球閥前6階模態(tài)信息

由表2可以看出結(jié)構(gòu)的自振頻率相近，因此在施加單向地震載荷的時候采用完全二次項組合（CQC）法對各階振型的最大內(nèi)應(yīng)力及位移進行組合[10]，同時由于三向的地震激勵的譜曲線較近似，在施加三向地震載荷時，采用多方向絕對之和（ABS）法對各階振型的最大內(nèi)應(yīng)力及位移進行組合[16-19]。

4.2 振型分解反應(yīng)譜分析結(jié)果

利用ANSYS的Response Spectrum模塊分別計算三向地震載荷和組合載荷時的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，計算出在地震載荷下球閥的最大應(yīng)力及變形，同時利用Static Structure模塊計算球閥在內(nèi)壓、溫度、自重載荷下的最大應(yīng)力及位移，最后按照同方向疊加，得到球閥最大應(yīng)力及位移分布，如圖3所示。

從圖3可以看出，在橫向、縱向及三向地震載荷下，球閥的最大應(yīng)力都出現(xiàn)在閥體與管道連接處；根據(jù)李樹勛等[7]的研究，由于結(jié)構(gòu)突變、材料等因素，球閥在球體與管道連接處為球閥結(jié)構(gòu)最薄弱的部分，因此分析結(jié)果與理論相符合；而在豎向地震載荷下，球閥的最大應(yīng)力出現(xiàn)在球體與支撐板連接處，這是由于在豎向地震載荷下，由于球體慣性大，在球體和支撐板的連接處產(chǎn)生了較大的應(yīng)力集中。為更加直觀地了解閥體與管道連接處的應(yīng)力和位移分布情況，在該處沿圓周方向建立一條路徑，提取其在地震載荷作用下的應(yīng)力和位移大小，結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖4 危險截面各向位移

圖5 危險截面各向應(yīng)力

從圖4可以看出，由于球閥在縱向方向的剛度較大，橫向、縱向、豎向及組合地震載荷對球閥的橫向位移和豎向位移的影響較大，且最大橫向位移大于最大縱向和豎向位移；從圖5可以看出，由于剛度的影響，在單向地震載荷、組合地震載荷作用下，球閥的橫向、豎向應(yīng)力遠大于縱向應(yīng)力。從圖4（d）、圖5（d）可以看出，組合地震載荷作用比任一單方向的地震作用產(chǎn)生的應(yīng)力和位移更大，對球閥的破壞更大。

4.3 安全性評價

全焊接管線球閥為鋼制承壓構(gòu)件，其薄壁零件按照 JB 4732—2005《鋼制壓力容器—分析設(shè)計標準》[20]要求進行評價，按應(yīng)力產(chǎn)生原因、不同的失效作用形式及結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布情況等因素將結(jié)構(gòu)應(yīng)力分為一次應(yīng)力、二次應(yīng)力和峰值應(yīng)力，然后根據(jù)不同的評定準則對各應(yīng)力進行評價。薄壁零件的應(yīng)力強度評定方法按評定路徑的不同可分為點處理法和線處理法。根據(jù)本文載體的特性，用線處理法進行應(yīng)力評價，即在關(guān)心的截面位置將計算得到的應(yīng)力按照劃分的路徑進行線性化處理，其中路徑的劃分十分重要，根據(jù)JB 4732中的規(guī)定，應(yīng)力評定路徑應(yīng)垂直截面且穿過結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力點[21]；本文對殼體類薄壁零件采用線處理法進行評價，評價準則為：1）一次總體薄膜應(yīng)力σm，校核限值為σm≤KSm；2）一次總體薄膜應(yīng)力+一次彎曲應(yīng)力σb，校核限值為σm+σb≤1.5Sm。式中：Sm為材料的許用應(yīng)力；K值為載荷系數(shù)，按JB 4732中表3-3中確定，查表可知，在地震載荷下取K=1.2。對在縱向、橫向及組合地震載荷下的球閥進行應(yīng)力線性化處理，校核結(jié)果[21]如表3所示。

表3 地震載荷作用下全焊接球閥應(yīng)力評定

支座起支撐、保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的作用，其對地震載荷下的安全性十分重要。通過分析發(fā)現(xiàn)，支座在地震載荷中主要承受支座和閥體之間的剪切力，利用ANSYS提取支座的剪切力，校核結(jié)果如表4所示。

表4 支架剪切應(yīng)力校核結(jié)果

5 結(jié)論

1）本文利用分塊Lanczos算法分析計算了全焊接球閥抗震分析所需的模態(tài)信息，發(fā)現(xiàn)球閥的前6階振型的質(zhì)量累計分數(shù)已經(jīng)達到1，滿足分析計算要求。

2）利用從PEER地震數(shù)據(jù)庫選取的天然地震波和振型分解反應(yīng)譜法，計算得到了球閥在地震載荷下的響應(yīng)，然后再和球閥在自重、內(nèi)壓下的應(yīng)力變形按同向疊加，最終得到球閥在橫向、縱向、豎向及組合地震載荷作用下的地震響應(yīng)，確定閥體與管道連接處為球閥的薄弱位置。

3）通過在球閥危險截面建立一條路徑，提取了該處在單向和組合地震載荷作用下的應(yīng)力和位移，發(fā)現(xiàn)球閥對橫向、豎向地震載荷較敏感，組合地震載荷對球閥造成的破壞最大。利用JB 4732標準對球閥危險截面位置進行了分析評價，發(fā)現(xiàn)球閥在地震載荷作用下安全。

4）根據(jù)分析計算結(jié)果提出建議：在球閥設(shè)計過程中，可通過極限設(shè)計法提高球閥的抗震能力；同時在安裝使用過程中，重點對球閥與管道連接處的橫向和豎向位移進行監(jiān)控，避免球閥的橫向和豎向位移可能產(chǎn)生的破壞。