高压长输管线固定球阀有限元优化设计

 管道输送在我车发展的非常迅速，液体石油、天然气都是通过管道来输送，但是管道输送最关键的是防止气、油泄露，阀门是管道系统中的重要组成部分，它的质量直接影响气、油输送安全，所以保证阀门质量就显得尤为重要。阀门设计、制作过程均会影响阀门质量，所以在阀站优化设计中，有限元优化设计软件起到了至关重要的作用，给阀门质量提供了一定的保障。

1、高压长输管线固定球阀概述

（1）管道球阀的结构特点：

 球阀是输送管道系统中较为关健的部分，球阀在这个输送系统中扮演着重要角色。球阀在系统中能够发挥作用与它的结构特点存在很大的关系，通常情况下，球阀主要由阀体、球体、阀座、阀杆以及传转装置构成，而常用的管道球阀又由浮动球球和固定球两种结构。不同类型的球阀具有不同的结构特点，比如浮动球阀的球体是可以浮动的，如果受到压力的作用，球体会被压到出口一侧的密封圈上，这时候由于形成了单密封。这种球阀具有结构简单、单侧密封性好的特点，不过这种球阀的开启与斗闭合的力矩较大；然而，固定式球阀有上下转轴，因此球体可以沿着阀门垂直轴线进行转动，但它不能进行侧各连接阀体、三段式螺栓连接阀体以及顶装式阀体四种。

（2）管道球阀存在的问题：

 球阀在使用过程中很可能由于各种原因而存在一定的问题，通常情况下，常见的球阀问题主要体现在以下方面：a、球芯开关不到位。这个问题主要是说，当球阀的轴端刻线处于水平位置时，指示球阀关闭，但是由于长时间球芯磨损，所以导致阀杆与球体旋转不同步，这就引起了旋转误差；b、球芯表面镀铬处理不当。球阀制造时，通常在球芯表面镀铬，这样可以增强球芯的耐磨性和气密性，但是铬层孔隙较多，这使得在其表面直接镀铬防腐效果不佳，所以需要进行细致处理；c、阀座材料不适于管道球阀的使用工况。

（3）管道球阀结构形式的确定：

 管道球阀结构不仅决定了它的用途，而且在一定程度上影响着球阀的质量。所以在球阀制造过程中，一定要先确定球阀结构。三段式双向密封固定球阀具有较大的*性，其流体阻力小，而且结构简单、重量轻、体积小、最关键是它的密封性好，因此三段式双向密封固定球阀在实际应用过程中较为常见。不过球阀生产与应用还要结合实际，根据生活中的使用需求来设计结构，只有这样子才能物尽其用。

3、有限元分析

（1）密封圈轴对称模形接触有限无分析：

 有限元方法的基本思路是以连续体离散化方法为载体，寻求满足条件的有效值。该方法解决问题主要通过求解联立方程组，解出数值与连续体中的离散点相近。在阀门设计优化过程中，主要利用有限元软件来实现，一个完整的有限元程序包含了前置处理、求解程序、后置处理以及时间历程后置处理等。在利用有限元求解问题的过程中，面临的关键问题就是如何将接触面条件适当引入球解过程。而且在有限元计算过程中涉及了几个重要的参数，包括节点荷载、单元应力、单元应变、位移函数，这几个参数都是有限元计算中非常重要的。

另外，阀门密封性问题分析时，需要建议有限元分析模型。阀门密封中涉及到密封圈问题，密封圈边界条件比较复杂，所以分析时应该进行整体分析，通常情况下要依据密封结构的几何形状，以及其它条件，可将密封圈分析模型可简化为对称模型。

4、结构耦合优化设计

（1）壳体计算：

 阀门是管道系统的重要组成部分，它承担着许多功能，如它在不同介质的压力、温度下进行开启、减压、调节等功能，因此阀门承压边界的完整性和安全性是需要着重考虑的问题。阀门设计时要加强对壳体材的计算，壳体计算时需要考虑壳体材料和厚度两因素。材料的好坏会直接影响制造工艺，质量以及成本，所以在选用壳体材料时，要结合地考虑多方面的因素，包括导热性能、工艺性能、耐腐蚀性以及热膨胀性等。阀体壁厚的计算是阀门设计的重要环节，通常情况下，壳体计算主要是根据提供的设计标准进行，但是因为阀体选材不在壳体壁厚规定的范围之内，所以只能通过计算来确定壁厚。

（2）优化设计：

 优化设计模型在解决实际问题中起着非常关键的作用，通常情况下确定设计变量、约束条件及目标函数之后就要以生成模型，通过数学模型计算相应的参数和变量。数值迭代是优化设计中常用的方法，其优化的基本思路是搜索、迭代、逼近。

 总而言之，阀门是管道系统中重要的部分，但同时阀门的质量直接影响了管道系统的运输安全，所以乐控仪表（杭州）有限公司在实际生产过程中，无论是阀门设计，还是阀门制造都是严格控制产品质量，在阀门设计中充分利用有限元优化方法来优化，给阀门质量提供更大的保障。