浙江中特气动阀门成套有限公司
厄瓜多尔CCS球阀整体水压试验工具设计

0 引言

球阀水压试验工具要求强度高、刚性好,并可反复使用。一般情况下电机公司生产、制造的球阀试验压力通常在3.48~9.8MPa范围内,属于中压范围,设计、制造按常规结构,工具结构有整体铸钢结构,有钢板成型、焊接结构,并进行强度计算。但厄瓜多尔CCS球阀水压试验压力为11.25MPa,采用铸造方式,不仅铸造难度大,且易产生铸造缺陷,因此,整体铸钢结构不适合,采取钢板成型、焊接结构
为最佳设计方案。水压试验工具对钢板成型与焊接要求较高,钢板成型不允许有缺陷,焊缝、焊角需经探伤合格,制造难度较大。电机公司生产、制造的焊接结构试验闷头常规结构为球冠、过渡锥板、圆筒焊接,对于球阀尺寸不大或试验压力不高者均能满足使用要求。对于高水压试验闷头,此种结构在圆筒与法兰连接处应力较大,已经超过了材料的屈服应力,无法满足球阀打压试验要求。经有限元强度计算,优选出方案为,在圆筒与法兰连接处增加一段加厚的过渡圆筒。该过渡圆筒的形状有利于减少法兰与圆筒焊接处的应力集中,使工具闷头的整体受力均匀,强度和刚性得到极大提升,满足了球阀打水压试验要求。

根据厄瓜多尔CCS球阀水压试验要求,我们设计的水压试验工具主要由2个闷头组成,1个闷头不带法兰,1个闷头带法兰。按整体结构受力最好的情况,不带法兰闷头结构为球冠、过渡锥板、圆筒焊接,由于应力集中在圆筒与过渡锥板接合部,因此,圆筒与过渡锥板接合部焊接20个25mm厚筋板,此闷头焊于球阀上游连接管上。带法兰闷头与不带法兰闷头相似,但带法兰闷头受力情况更加复杂,圆筒与法兰连接处应力最大,因此,此处要增加200mm高、壁厚100mm的过渡圆筒,且圆筒与过渡锥板接合部焊接的20个筋板加厚到40mm,长度超过圆筒,延伸到过渡圆筒高度一半,确保闷头整体受力最好,满足产品球阀打压试验要求。

1 方案设计

1.1 不带法兰闷头的设计

经初步计算,设计不带法兰闷头的球冠半径为SR1100mm,板厚50mm,材料16MnR,过渡锥板同为50mm厚16MnR钢板,圆筒处受力较大,选取60mm厚16MnR钢板。此种状态下,应力集中在圆筒与过渡锥板接合部,因此,圆筒与过渡锥板接合部焊接20个25mm厚筋板,如图1所示。

图1 无法兰闷头

1.2 带法兰闷头的设计

带法兰闷头与不带法兰闷头相似,但带法兰闷头受力情况更加复杂,圆筒与法兰连接处受力更大,常规结构的闷头无法满足打压试验要求,若增加法兰厚度、增加圆筒厚度,且增加筋板数量,则其他部件受力变差,不但工具质量增加很多,而且选材困难,制造也更加困难。因此,经过有限元强度计算后,最佳方案为:在圆筒与法兰之间增加200mm高、壁厚100mm的过渡圆筒,过渡圆筒的形状要有利于闷头的整体受力,且圆筒与过渡锥板接合部焊接的20个筋板加厚到40mm,长度超过圆筒,延伸到过渡圆筒高度一半,此时闷头整体受力最好,既减少了材料使用、同时降低了工具制造难度,节约工具制造成本,满足产品球阀打压试验要求,如图2、图3所示。

图2 带法兰闷头

图3 过渡圆筒

2 水压试验工具的强度计算

闷头设计完成后采用大型有限元法分析程序ANSYS对球阀打压工具刚强度进行了分析计算,目的是为了检验球阀打压工具的刚强度性能是否满足设计要求,材料特性见表1。

表1 材料特性表

根据表1的材料特性,考虑到结构与载荷的周期对称性,选取结构的1/20部分作为计算模型,采用块体单元划分网格。在闷头模型对称面上施加对称约束;在与球阀部分连接处施加对称约束;在闷头过水处施加水压力11.25MPa。仿真结果如图4、图5所示,相关变形情况见表2。

表2 闷头应力、变形情况表

图4 无法兰闷头

图5 带法兰闷头

结果表明:闷头应力和变形结果满足许用要求。

3 结语

该水压试验工具己投入了使用,厄瓜多尔项目机组共8台份,闷头可反复使用,完全满足CCS球阀水压试验要求,操作方便安全可靠。据电机公司水电分厂反映,该工具十分好用,无论从装配到拆卸均十分方便,工具变形小,可反复使用,节省了大量制造成本,比电机公司传统结构好,为我公司高水压试验工具的设计、制造及使用积累了宝贵经验。

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