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引見了抽水蓄能機組用球閥整體水壓實驗工具的整體請求和構造特性。大型球閥做高水壓實驗的工具構造為球形悶頭，設計的水壓實驗壓力為11.25MPa的悶頭，經(jīng)過有限元計算保證了水壓實驗的強度和剛性，滿足了電機公司抽水蓄能機組大型球閥做水壓實驗的請求，為工具設計人員提供一定的參考和自創(chuàng)。

引言

球閥水壓試驗工具要求強度高、剛性好，并可反復使用。一般情況下電機公司生產(chǎn)、制造的球閥試驗壓力通常在3.48～9.8MPa范圍內(nèi)，屬于中壓范圍，設計、制造按常規(guī)結構，工具結構有整體鑄鋼結構，有鋼板成型、焊接結構，并進行強度計算。但厄瓜多爾CCS球閥水壓試驗壓力為11.25MPa，采用鑄造方式，不僅鑄造難度大，且易產(chǎn)生鑄造缺陷，因此，整體鑄鋼結構不適合，采取鋼板成型、焊接結構

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為最佳設計方案。水壓試驗工具對鋼板成型與焊接要求較高，鋼板成型不允許有缺陷，焊縫、焊角需經(jīng)探傷合格，制造難度較大。電機公司生產(chǎn)、制造的焊接結構試驗悶頭常規(guī)結構為球冠、過渡錐板、圓筒焊接，對于球閥尺寸不大或試驗壓力不高者均能滿足使用要求。對于高水壓試驗悶頭，此種結構在圓筒與法蘭連接處應力較大，已經(jīng)超過了材料的屈服應力，無法滿足球閥打壓試驗要求。經(jīng)有限元強度計算，優(yōu)選出方案為，在圓筒與法蘭連接處增加一段加厚的過渡圓筒。該過渡圓筒的形狀有利于減少法蘭與圓筒焊接處的應力集中，使工具悶頭的整體受力均勻，強度和剛性得到極大提升，滿足了球閥打水壓試驗要求。

根據(jù)厄瓜多爾CCS球閥水壓試驗要求，我們設計的水壓試驗工具主要由2個悶頭組成，1個悶頭不帶法蘭，1個悶頭帶法蘭。按整體結構受力最好的情況，不帶法蘭悶頭結構為球冠、過渡錐板、圓筒焊接，由于應力集中在圓筒與過渡錐板接合部，因此，圓筒與過渡錐板接合部焊接20個25mm厚筋板，此悶頭焊于球閥上游連接管上。帶法蘭悶頭與不帶法蘭悶頭相似，但帶法蘭悶頭受力情況更加復雜，圓筒與法蘭連接處應力最大，因此，此處要增加200mm高、壁厚100mm的過渡圓筒，且圓筒與過渡錐板接合部焊接的20個筋板加厚到40mm，長度超過圓筒，延伸到過渡圓筒高度一半，確保悶頭整體受力最好，滿足產(chǎn)品球閥打壓試驗要求。

1 方案設計

1.1 不帶法蘭悶頭的設計

經(jīng)初步計算，設計不帶法蘭悶頭的球冠半徑為SR1100mm，板厚50mm，材料16MnR，過渡錐板同為50mm厚16MnR鋼板，圓筒處受力較大，選取60mm厚16MnR鋼板。此種狀態(tài)下，應力集中在圓筒與過渡錐板接合部，因此，圓筒與過渡錐板接合部焊接20個25mm厚筋板，如圖1所示。

圖1 無法蘭悶頭

1.2 帶法蘭悶頭的設計

帶法蘭悶頭與不帶法蘭悶頭相似，但帶法蘭悶頭受力情況更加復雜，圓筒與法蘭連接處受力更大，常規(guī)結構的悶頭無法滿足打壓試驗要求，若增加法蘭厚度、增加圓筒厚度，且增加筋板數(shù)量，則其他部件受力變差，不但工具質量增加很多，而且選材困難，制造也更加困難。因此，經(jīng)過有限元強度計算后，最佳方案為：在圓筒與法蘭之間增加200mm高、壁厚100mm的過渡圓筒，過渡圓筒的形狀要有利于悶頭的整體受力，且圓筒與過渡錐板接合部焊接的20個筋板加厚到40mm，長度超過圓筒，延伸到過渡圓筒高度一半，此時悶頭整體受力最好，既減少了材料使用、同時降低了工具制造難度，節(jié)約工具制造成本，滿足產(chǎn)品球閥打壓試驗要求，如圖2、圖3所示。

圖2 帶法蘭悶頭

圖3 過渡圓筒

2 水壓試驗工具的強度計算

悶頭設計完成后采用大型有限元法分析程序ANSYS對球閥打壓工具剛強度進行了分析計算，目的是為了檢驗球閥打壓工具的剛強度性能是否滿足設計要求，材料特性見表1。

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表1 材料特性表

根據(jù)表1的材料特性，考慮到結構與載荷的周期對稱性，選取結構的1/20部分作為計算模型，采用塊體單元劃分網(wǎng)格。在悶頭模型對稱面上施加對稱約束；在與球閥部分連接處施加對稱約束；在悶頭過水處施加水壓力11.25MPa。仿真結果如圖4、圖5所示，相關變形情況見表2。

表2 悶頭應力、變形情況表

圖4 無法蘭悶頭

圖5 帶法蘭悶頭

結果表明：悶頭應力和變形結果滿足許用要求。

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3 結語

該水壓試驗工具己投入了使用，厄瓜多爾項目機組共8臺份，悶頭可反復使用，完全滿足CCS球閥水壓試驗要求，操作方便安全可靠。據(jù)電機公司水電分廠反映，該工具十分好用，無論從裝配到拆卸均十分方便，工具變形小，可反復使用，節(jié)省了大量制造成本，比電機公司傳統(tǒng)結構好，為我公司高水壓試驗工具的設計、制造及使用積累了寶貴經(jīng)驗。