管线球阀阀座失稳与抗应变设计

　　在大型管线球阀国产化的一次试验中，出现非正常泄漏。经检查，阀座内径发生残余变形，阀座在外压作用下失稳。本文对受外压阀座进行应力、应变分析，并提出阀座强度、应变的设计、计算方法。

　　阀座失稳的发生

　　管线球阀的阀座可视为一个薄壁圆筒，把阀座作为一个阀门内件，通常不考虑阀座的失稳。但对于一个大口径高压球阀的阀座，按API-6D进行DIB-I试验时，阀座是一个受外压的薄壁圆筒，存在可能发生失稳的潜在风险，需对其进行应力、应变分析和计算。

　　Class900，NPS56的管线球阀，在一次DIB-I的试验时，两侧密封座发生大量泄漏，解体检查，阀座内径由1360mm缩小至1358mm，阀座发生残余变形，证实阀座失稳。

　　应力分析

　　典型的阀座结构如下图所示。由金属阀座、三角密封圈、O形密封圈、支撑圈等零件组成。

　　金属阀座1，在DBB功能试验时，阀座处于内压qa的作用下，如图2a所示。在DIB-I功能试验时，阀座处于外压qb的作用，如图2b所示。在液压强度试验时，阀座处于qa，qb和两端压力qc的共同作用。如图2c所示。

　　这样，我们可以把阀座视为一个薄壁圆筒，受内压qa，外压qb，两端压力qc的作用。假设是一个无限长的筒体，则qc=0令圆筒内半径为a，外半径为b，显然圆筒上任何一点上的应力分量是半径r的函数。筒状阀座是一个轴对称零件，一点上的应力分量用极坐标表示为：环向应力σθ，径向应力σr，轴向应力σz。因为我们假定是无限长的筒体，二端压力qc=0，所以σz=0。作二向应力状态考虑。如图3a所示。

　　应变分析

　　在求得应力分量σr，σθ之后，根据广义虎克定律可求得相应的应变，径向应变σr，环向应变σθ。

　　εr= 1/E〔σr - υσθ〕

　　εθ= 1/E〔σθ - υσr〕 (8)

　　径向应变对应于壁厚t的变化Δt，环向应变对应于周长的变化或圆筒直径d的变化Δd。则：

　　d = εθ×d

　　t = εr×t (9)

　　径向直径变化量Δd直接影响密封圈的初始压缩量，可能导致泄漏。

　　外压壳体的工程计算

　　在工程上受外压壳体的强度，即壁厚的计算可按照 ASME - ( 1 )UG28“外压壳体和管子的壁厚”进行。计算的目的，是针对某已知壁厚的筒体材料及其物性参数求得一个临界外压〔P〕值。

　　临界外压〔P〕与结构参数L/D，D/t以及材料的屈服极限σs有关。D为筒体内径，t为壁厚，L为筒体长度。

　　第一步，按L/D，D/t在ASME -D篇第3分篇中求得参数A。

　　第二步，根据求得的参数A，以及材料和工作温度在ASME D篇3分篇相应材料的线算图上求得参数B。

　　第三步，按下列公式计算临界工作外压〔P〕

　　〔P〕= 4/3* B× t/D (10)

　　如果，某些材料线算图上未能提供，上海科科阀门建议B值取材料许用压力的1.5倍。当取安全系数n=2，则B=0.75σs;当取n=1.6，则B=0.9σs。

　　结论

　　管线球阀对于要求DIB-I功能的阀座，需要进行外压下阀座的强度，变形和失稳计算。尤其是高压，大口径的金属阀座。在密封设计时，阀座的径向变形增大了密封间隙，可能会导致密封失效，应予注意。