进水球阀密封效果的有限元方法分析

摘 要：对于高水头水轮机的进水球阀，在各种运行工况下的安全性和球阀使用时的可靠性对于整个机组有决定性的影响。因此，球阀的各个部件必须要计算的足够精准，球阀密封环和密封座的变形要计算的足够准确，才能够帮助设计人员进行准确的设计和优化。

关键词：球阀；密封；有限元

1 模型描述

根据常用的高水头球阀的结构形式，建立其三维实体模型，模型包括球阀阀体、活门、上下连接管及其连接螺栓、检修密封环和工作密封环。在有限元前处理软件hypermesh中进行有限元网格的划分，在该有限元模型中共包括节点723055个，单元911557个，有限元模型的各个部件均采用六面体单元进行划分，只有球阀活门远离枢轴位置采用四面体单元。各部件之间按照工作关系建立接触行为。密封环周围由于有密封，密封环和连接环及阀体之间采用无摩擦接触进行仿真。按照不同工况施加载荷和约束，模型中考虑到连接螺栓的预紧力，计算时考虑到球阀最大水压和升压水头工况下密封环正常投入、活门全开时的最大水头升压水头、检修密封投入时球阀受到最大水压。

球阀整体分析计算属于大型装配结构的有限元仿真，存在以下几个问题：（1）由于部件尺度差别大，有限元仿真模型的网格质量要求比较高，同时，网格和节点的数量多，计算时将耗费时间，计算成本较高；（2）模型中接触行为较多，而且，有几个单独部件属于悬空状态，因此，模型的收敛性很差，需要多次进行模型调整才可以保证计算顺利；（3）对于计算出来的结果，必须进行准确性的判断，同时，也要调整模型，使得网格和有限元模型的差别引起计算结果产生偏差的量最小。（4）计算结果的评价标准的判别。

2 有限元计算结果

在正常的工作密封投入，机组受到最大水头工况作用时，球阀的内部相对应位置将受到水压力作用；密封环受到密封压力的作用，激活密封环与密封座之间的接触行为。在下连接管位置施加轴向约束，球阀阀体地脚位置施加数值方向的约束，机组的截面施加对称约束，进行有限元计算。

2.1 球阀计算结果

经过计算，球阀最大变形是活门由于水压造成的，最大的轴向变形量为1.86mm。

2.2 密封环计算结果

经过计算，在正常的工作密封投入，机组受到最大水头工况作用时，密封环的最大综合应力为139MPa。主要是由于密封座与密封环接触产生的接触挤压应力。

经过计算，密封环受到的密封接触压力为176.8MPa，也就是说明，在密封环与密封座相接触的位置，存在一个接触区域，该区域的最大接触压力为176.8MPa，密封环的刚度设计可以满足球阀在关闭时，能够具有良好的封水性能。

沿着路径，考察密封环的接触状态。密封面接触压力为106MPa到172MPa之间；在水压力的作用下，密封环的密封面的轴向相对变形在1.08mm到0.65mm之间。如果密封座的变形超过这些值，那么说明密封效果会产生失效的可能。

经过计算，取出密封环的密封面横截面，考察接触压力沿着密封面法向的变化趋势，发现有接触压力的范围为35mm～57mm，也就是接触面的宽度有22mm以上。

2.3 活门计算结果

经过计算，计算结果显示，在封水工况时，球阀活门的最大轴向绝对变形为1.86mm。

经过计算，枢轴根部的最大综合应力为272.0MPa。应力水平很高，在球阀的设计时，还要进行优化计算，来降低其关键部位的强度水平。

去除掉枢轴，活门本体的最大综合应力为91.0MPa。相对材料来说，应力水平较低，活门本身满足强度要求。

3 结束语

通过对实例球阀的计算研究，找到了一个新的球阀计算方法，该方法基于大型非线性有限元软件的仿真计算，利用丰富的接触选项和非线性计算特点，成功的一次性进行球阀整体模型的求解。成功的得到了常规关心的阀体、活门及枢轴、连接管、连接螺栓等部件的强度和变形分析结果，而且得到了球阀密封效果的决定性因素：密封环和密封座的变形以及相互之间的接触应力分布情况、有效的接触面积，为以后的高水头球阀设计和优化打下很好的研究基础。