1 概述

    為了驗證水輪機球閥的焊接質量和承載能力，需要對水輪機球閥進行壓力試驗。水輪機球閥壓力試驗中采用的閥體封頭主要有鑄造結構、球殼與錐殼組焊結構以及平板型結構。鑄造結構封頭受澆注質量影響，容易存在缺陷，導致壓力試驗時封頭損壞。平板型結構封頭制作相對簡單，但是組焊焊接工作量很大，耗費大量金屬材料。相比之下，球殼與錐殼組焊結構封頭更具優(yōu)勢。本文以某高水頭水輪機球閥壓力試驗封頭結構為研究對象，分析了結構受力情況以及避免高應力的措施。

    2 有限元模型

    壓力試驗封頭屬于對稱結構，本文所研究的球閥壓力試驗封頭含有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)點具有3個自由度的20節(jié)點六面體單元SOLID95劃分網(wǎng)格。在試驗封頭剖切出的2個對稱面上施加對稱邊界條件，在試驗封頭螺栓連接處施加軸向約束，在試驗封頭內表面施加試驗水壓力11.5MPa。

圖1 球閥壓力試驗封頭有限元模型

    壓力試驗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力水平而選用不同的金屬材料。本文分析的結構中，封頭本體（包括球殼、錐殼、圓筒和補強段）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特性

    3 受力分析

    對高水頭水輪機球閥壓力試驗封頭進行受力分析（圖2），結構最大vonmises應力為242MPa，屬于局部應力，小于其對應的許用局部應力425MPa。封頭存在4個主要的高應力區(qū)域，分別是錐殼與立筋連接處（S1）、錐殼與圓筒連接處（S2）、圓筒與補強段連接處（S3）以及法蘭與補強段連接處（S4）。

圖2 試驗封頭vonmises應力分布

    為保證試驗封頭組焊鋼板的膜應力滿足強度要求，針對4個高應力區(qū)域進行了應力的線性化分析（圖3）。利用積分方法（即：沿著路徑對應力進行積分，并除以路徑長度），分別提取各個高應力區(qū)域的最大平均應力，并按照相應許用應力進行考核，結果表明平均應力滿足強度要求（表2）。

表2 封頭應力分析結果

（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 沿著高應力路徑的應力分布
 

    4 結語

    利用有限元方法以高水頭水輪機球閥壓力試驗封頭結構為研究對象，并依據(jù)相應的應力及其試驗標準要求對結果進行考核，結果表明選擇恰當?shù)匿摪宄叽绾秃穸�，可以實現(xiàn)金屬材料和應力水平的很好協(xié)調。