1 概述
為了驗(yàn)證水輪機(jī)球閥的焊接質(zhì)量和承載能力，需要對水輪機(jī)球閥進(jìn)行壓力試驗(yàn)。水輪機(jī)球閥壓力試驗(yàn)中采用的閥體封頭主要有鑄造結(jié)構(gòu)、球殼與錐殼組焊結(jié)構(gòu)以及平板型結(jié)構(gòu)。鑄造結(jié)構(gòu)封頭受澆注質(zhì)量影響，容易存在缺陷，導(dǎo)致壓力試驗(yàn)時封頭損壞。平板型結(jié)構(gòu)封頭制作相對簡單，但是組焊焊接工作量很大，耗費(fèi)大量金屬材料。相比之下，球殼與錐殼組焊結(jié)構(gòu)封頭更具優(yōu)勢。本文以某高水頭水輪機(jī)球閥壓力試驗(yàn)封頭結(jié)構(gòu)為研究對象，分析了結(jié)構(gòu)受力情況以及避免高應(yīng)力的措施。
2 有限元模型
壓力試驗(yàn)封頭屬于對稱結(jié)構(gòu)，本文所研究的球閥壓力試驗(yàn)封頭含有20個立筋，利用其對稱性切取包含1個立筋的1/20個封頭作為計算模型（圖1），并選擇每個節(jié)點(diǎn)具有3個自由度的20節(jié)點(diǎn)六面體單元SOLID95劃分網(wǎng)格。在試驗(yàn)封頭剖切出的2個對稱面上施加對稱邊界條件，在試驗(yàn)封頭螺栓連接處施加軸向約束，在試驗(yàn)封頭內(nèi)表面施加試驗(yàn)水壓力11.5MPa。
圖1 球閥壓力試驗(yàn)封頭有限元模型
壓力試驗(yàn)封頭是由各部分鋼板組焊而成的，因此可以根據(jù)封頭各部分的重要程度和應(yīng)力水平而選用不同的金屬材料。本文分析的結(jié)構(gòu)中，封頭本體（包括球殼、錐殼、圓筒和補(bǔ)強(qiáng)段）材料選用16MnR，立筋材料選用16MnR，法蘭材料選用Q235（表1）。
表1 封頭各部分材料及力學(xué)特性
3 受力分析
對高水頭水輪機(jī)球閥壓力試驗(yàn)封頭進(jìn)行受力分析（圖2），結(jié)構(gòu)*大vonmises應(yīng)力為242MPa，屬于局部應(yīng)力，小于其對應(yīng)的許用局部應(yīng)力425MPa。封頭存在4個主要的高應(yīng)力區(qū)域，分別是錐殼與立筋連接處（S1）、錐殼與圓筒連接處（S2）、圓筒與補(bǔ)強(qiáng)段連接處（S3）以及法蘭與補(bǔ)強(qiáng)段連接處（S4）。
圖2 試驗(yàn)封頭vonmises應(yīng)力分布
為保證試驗(yàn)封頭組焊鋼板的膜應(yīng)力滿足強(qiáng)度要求，針對4個高應(yīng)力區(qū)域進(jìn)行了應(yīng)力的線性化分析（圖3）。利用積分方法（即：沿著路徑對應(yīng)力進(jìn)行積分，并除以路徑長度），分別提取各個高應(yīng)力區(qū)域的*大平均應(yīng)力，并按照相應(yīng)許用應(yīng)力進(jìn)行考核，結(jié)果表明平均應(yīng)力滿足強(qiáng)度要求（表2）。
表2 封頭應(yīng)力分析結(jié)果
（a）沿S1位置路徑（b）沿S2位置路徑
（c）沿S3位置路徑（d）沿S4位置路徑
圖3 沿著高應(yīng)力路徑的應(yīng)力分布
4 結(jié)語
利用有限元方法以高水頭水輪機(jī)球閥壓力試驗(yàn)封頭結(jié)構(gòu)為研究對象，并依據(jù)相應(yīng)的應(yīng)力及其試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)要求對結(jié)果進(jìn)行考核，結(jié)果表明選擇恰當(dāng)?shù)匿摪宄叽绾秃穸龋梢詫?shí)現(xiàn)金屬材料和應(yīng)力水平的很好協(xié)調(diào)。