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管线全焊接球阀大型石油天然气长输管线上的应用
编辑:云顶国际登录官网手机版 来源:/ 发布于:2016-08-26 15:26:06
管线全焊接球阀应用于大型石油天然气长输管线上,其质量直接关系到国家能源运输的安全,因此对长输管线阀门的要求比通用阀门的要求要高得多,要求阀门具有更高的密封性的同时,最关键的是要有足够的强度和韧性。管线球阀装入管线后,作为管线系统的一个部件,除了承受内部介质压力之外,还要承受外部载荷的影响。分析阀门的阀体在介质压力与外部载荷复合作用下的结构强度,不能通过简单的材料力学的方法来计算,只能通过有限元仿真来验证阀体结构强度的安全性。
在有限元分析的基础上,建立开发弯曲载荷模拟试验测试平台,测试管线球阀在弯曲载荷作用下阀体的实际应力状态和阀门的功能,验证有限元数值分析的正确性。该分析与研究,为以后产品的设计和生产提供了可靠的理论依据,对管线球阀在长输管线上可靠运行30年是十分必要的。
管线全焊接球阀技术分析
阀门装入管线后,除了承受内部介质压力之外,还可能承受由于地基沉降和自重引起的弯曲力矩M、由于安装和温度变化引起的外部压力载荷Q1和外部拉力载荷Q2。在分析设计中,假设弯曲力矩M、压力Q1和拉力Q2是各自分别独立地施加在球阀上。因此,只考虑一种外力和介质压力的复合作用。
分析阀门阀体在介质压力与外部力矩载荷联合作用下的结构强度,可参考ASMEQME-1《核电厂能动机械设备鉴定》中有关端部加载试验的相关规定:“测试阀门组件应安装在测试固定装置里,端件应能传递端部测试负载。
测试布置应使恒定力矩施加在整个阀门长度上,在阀门和连接管道中同时施加满额度测试压力时,阀体至少承受在端盖中产生的正常轴向拉力。施加测试力矩时,应尽可能对测试阀门组件的可操作性产生最不利影响。对于大多数闸阀和球阀,通常考虑在阀杆平面和管道中心线,即弯曲力矩施加于阀杆中心平面,拉力和压力施加于管道中心线。”
因此,弯曲力矩的施加是通过阀杆中心截面,拉力和压力的施加是通过管道的轴线。
阀门的外载荷是将阀门装入管道之后产生的。端部施加的最大外载荷,规定为可施加在阀门上,而不使管道屈服的极限载荷;对外部弯曲力矩,按照ASMEQME-1规定,测试初始外部力矩载荷按ASME第III卷《核动力装置设备建造准则》中规定:
M=FbS
式中 Fb——结构的截面模数;
S——连接管道中可能产生的最大应力,在此可取管道材料的屈服强度σs。
对于压力和拉力,其最大载荷Q可表述为:
Q=FaS
式中 Fa——结构的横截面面积。
由于阀体受内压与外部弯曲载荷复合作用的影响,不能通过简单的材料力学的方法来计算阀体的强度,只能通过有限元仿真来验证阀体结构强度的安全。在阀体结构中,其颈部开孔结构属于典型的总体结构不连续,引起局部应力集中,采用通常的简化公式计算或查表已不能有效分析阀体的结构强度来评定其安全性。在ASMEVIII-2中,给出采用分析设计方法(Design-By-Analysis,DBA),设计的合格性通过考察在各种设计外载荷下的结构行为来进行校核。并提出根据弹性壳体不连续理论(elasticshelldiscontinuitytheory),将弹性应力场(elasticstress?eld)分解为一次、二次和峰值等三种不同的应力,然后以相应的应力强度极限来评定结构强度,该方法能准确分析阀体局部应力集中和整体的结构强度。
在ASMEVIII-2中,结构强度的判定均采用应力强度作为判别,即按第三强度理论计算结构当量强度,将弹性应力场可分解为以下主要应力:一次应力(一次总体薄膜应力Pm、一次局部薄膜应力PL、一次弯曲应力应力Pb)、二次应力Q以及峰值应力F。
由于阀体所承受载荷是非周期性的载荷,使阀体产生破坏的是一次和二次应力,对峰值应力的影响可不予考虑,根据ASMEVIII-2规范要求,只需要校核:
1)一次总体薄膜应力,校核判据条件:Pm≤Sm。
2)一次局部薄膜应力+一次弯曲应力,校核判据条件:PL+Pb≤1.5Sm。
3)一次局部薄膜应力+一次弯曲应力+二次弯曲应力强度,校核判据条件:PL+Pb+Q≤3Sm。
以上一次总体薄膜应力,一次局部薄膜应力,一次弯曲应力和二次弯曲应力均按应力强度进行分解,且当以上三个应力强度校核判据条件同时满足,则可判断结构强度安全。Sm是给定材料的许用应力强度。
管线全焊接球阀
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