三河口水利枢纽电站DN2000超大口径半球阀研制

柯 啸

(陕西省引汉济渭工程建设有限公司，陕西 西安 710000)

引汉济渭工程属于跨流域调水工程，工程级别为Ⅰ等工程。三河口水利枢纽为引汉济渭工程的两个水源之一，主要承担供水、调蓄功能，兼顾发电任务，是整个调水工程的调蓄中枢。电站设有2台常规水轮机、2台可逆式水轮机及2台供水管线。

电站发电及供水设置为φ4500mm压力钢管，设6个并排支管，与主管垂直，支管分别接两台可逆机组、两台常规机组、两个供水阀系统，4台机组布置于电站主厂房内。供水管从上游至下游依次布置有流量计、上游检修蝶阀、调流调压阀、下游检修用偏心半球阀，管道末端通过“S”弯管接入导流洞。流量计、上游检修蝶阀布置于电站厂房安装间的阀坑内，调流调压阀、下游检修用偏心半球阀布置于下游供水阀室。

1 设计要求

为满足在电站检修工况下正常供水功能，需采用超大口径阀门，要求供水系统末端阀门能够在高水头工况下实现快速启闭功能，同时阀门流阻小，密封磨损小，检修方便。根据设计要求，选用偏心半球阀作为末端控制阀。阀门为PN16，材质为WCB，为满足工况使用要求，将阀门实际按照PN25进行壁厚和配件的设计。为了确保设计万无一失，采用ANSYS Workbench对阀门进行有限元分析。按最大压力PN25对其进行校核。

DN2000偏心半球阀的几何模型如图1所示。

图1 偏心半球阀设计模型

2 主要设计参数

2.1 仿真参数

仿真参数包括时间(s)、距离(mm)、力(N)、应力(MPa)、质量(kg)。

仿真分析环节计算时均采用直角坐标系。

2.2 材料参数

球座、阀体、阀盖材料为WCB(美国的铸钢牌号)，对应国内铸钢牌号ZG230- 450，在仿真分析环节中ZG230- 450的材料参数设置参照《中国工业材料大典》。其中，密度为7830kg/m3，泊松比为0.31，弹性模量为210 GPa，屈服强度为230MPa，抗拉强度为450MPa。

阀座、球面材料为A105，密度为7850kg/m3，泊松比为0.31，弹性模量为210 GPa，屈服强度是250MPa，抗拉强度是485MPa。

PTFE密封圈为聚四氟乙烯，密度为2200kg/m3，抗拉强度是25MPa。

2.3 网格划分

由于实体模型比较复杂，在进行有限元分析时，不可能完全用实体模型进行分析，应在保证结果不会产生较大误差的前提下，忽略工艺结构和一些不重要的圆角、小孔等细节特征，将实体模型简化，这样可以在很大程度上减少软件计算工作量，提高计算速度。本次分析中，偏心半球阀划分网格后的单元数是541658，节点数是1943115，偏心半球阀的有限元网格如图2所示。

图2 偏心半球阀整体网格图

2.4 施加约束

考虑到偏心半球阀的实际使用情况，在仿真分析时约束阀体底座X、Y、Z三个方向自由度，约束示意图如图3所示。

图3 偏心半球阀底座约束示意图

2.5 载荷施加

对偏心半球阀施加载荷时，考虑到正常工作状态和极限工作状态两种情况，正常工作状态对应的压力为1.0 MPa，设计压力为1.6 MPa，极限工作状态对应的压力为2.5 MPa，这里只对2.5MPa下的模型进行介绍。

(1)工况一：阀门关闭，水流被阻断，所受压力为 2.5 MPa

通过Workbench对偏心半球阀的有限元分析模型进行求解，可得出阀门关闭，水流被阻断，所受压力为 2.5 MPa时的等效应力、变形分布云图，如图4—8所示。

图4 工况一 偏心半球阀等效应力云图

图5 工况一 偏心半球阀等效应力剖视图

图6 工况一 偏心半球阀变形云图

图8 工况一 偏心半球阀水流方向变形云图(剖视图)

由图4—8可知，工况一时，偏心半球阀所受最大等效应力出现在端盖外壁面凸台处，最大值为127.3 MPa，远远低于材料的屈服极限；偏心半球阀所受最大变形出现在球座中心处，最大值为 0.324 mm，满足许用要求。

(2)工况二：阀门开启，水流通过，所受压力为 2.5 MPa

通过Workbench对偏心半球阀的有限元分析模型进行求解，可得出阀门开启，水流通过，所受压力为 2.5 MPa时的等效应力、变形分布云图如图9—12所示。

图9 工况二 偏心半球阀等效应力云图

图10 工况二 偏心半球阀等效应力云图(剖视图)

图11 工况二 偏心半球阀变形云图

图12 工况二 偏心半球阀变形云图(剖视图)

由图9—12可知，工况二时，偏心半球阀所受最大等效应力出现在阀体下内侧壁面孔处，最大值为198.7 MPa，低于材料的屈服极限；偏心半球阀所受最大变形出现在阀体上侧壁面处，最大值为1.166 mm，满足许用要求。

综上所述，偏心半球阀在正常工作状态和极限工作状态两种情况时，均能满足许用要求。

3 结论

通过对阀门结构的受力变形的分析，得到如下结论：

(1)在极限工作状态时，最大应力出现在阀门开启时，最大应力在阀体下内侧壁面孔处，阀门结构所受应力，开启时大于关闭状态。

(2)通过受力分析，球阀所受最大变形出现在阀门开启时，阀体上侧壁面处。

(3)根据模型结构分析，通过测量阀门变形状态，有限元仿真分析可以作为评估阀门受力及结构健康状况的一种手段。