摘 要：介绍了抽水蓄能机组用球阀整体水压试验工具的整体要求和结构特点。大型球阀做高水压试验的工具结构为球形闷头，设计的水压试验压力为11.25MPa的闷头，通过有限元计算保证了水压试验的强度和刚性，满足了电机公司抽水蓄能机组大型球阀做水压试验的要求，为工具设计人员提供一定的参考和借鉴。

关键字：球阀 闷头 水压试验压力

0 引言

球阀水压试验工具要求强度高、刚性好，并可反复使用。一般情况下电机公司生产、制造的球阀试验压力通常在3.48～9.8MPa范围内，属于中压范围，设计、制造按常规结构，工具结构有整体铸钢结构，有钢板成型、焊接结构，并进行强度计算。但厄瓜多尔CCS球阀水压试验压力为11.25MPa，采用铸造方式，不仅铸造难度大，且易产生铸造缺陷，因此，整体铸钢结构不适合，采取钢板成型、焊接结构
为最佳设计方案。水压试验工具对钢板成型与焊接要求较高，钢板成型不允许有缺陷，焊缝、焊角需经探伤合格，制造难度较大。电机公司生产、制造的焊接结构试验闷头常规结构为球冠、过渡锥板、圆筒焊接，对于球阀尺寸不大或试验压力不高者均能满足使用要求。对于高水压试验闷头，此种结构在圆筒与法兰连接处应力较大，已经超过了材料的屈服应力，无法满足球阀打压试验要求。经有限元强度计算，优选出方案为，在圆筒与法兰连接处增加一段加厚的过渡圆筒。该过渡圆筒的形状有利于减少法兰与圆筒焊接处的应力集中，使工具闷头的整体受力均匀，强度和刚性得到极大提升，满足了球阀打水压试验要求。

根据厄瓜多尔CCS球阀水压试验要求，我们设计的水压试验工具主要由2个闷头组成，1个闷头不带法兰，1个闷头带法兰。按整体结构受力最好的情况，不带法兰闷头结构为球冠、过渡锥板、圆筒焊接，由于应力集中在圆筒与过渡锥板接合部，因此，圆筒与过渡锥板接合部焊接20个25mm厚筋板，此闷头焊于球阀上游连接管上。带法兰闷头与不带法兰闷头相似，但带法兰闷头受力情况更加复杂，圆筒与法兰连接处应力最大，因此，此处要增加200mm高、壁厚100mm的过渡圆筒，且圆筒与过渡锥板接合部焊接的20个筋板加厚到40mm，长度超过圆筒，延伸到过渡圆筒高度一半，确保闷头整体受力最好，满足产品球阀打压试验要求。

1 方案设计

1.1 不带法兰闷头的设计

经初步计算，设计不带法兰闷头的球冠半径为SR1100mm，板厚50mm，材料16MnR，过渡锥板同为50mm厚16MnR钢板，圆筒处受力较大，选取60mm厚16MnR钢板。此种状态下，应力集中在圆筒与过渡锥板接合部，因此，圆筒与过渡锥板接合部焊接20个25mm厚筋板，如图1所示。

图1 无法兰闷头

1.2 带法兰闷头的设计

带法兰闷头与不带法兰闷头相似，但带法兰闷头受力情况更加复杂，圆筒与法兰连接处受力更大，常规结构的闷头无法满足打压试验要求，若增加法兰厚度、增加圆筒厚度，且增加筋板数量，则其他部件受力变差，不但工具质量增加很多，而且选材困难，制造也更加困难。因此，经过有限元强度计算后，最佳方案为：在圆筒与法兰之间增加200mm高、壁厚100mm的过渡圆筒，过渡圆筒的形状要有利于闷头的整体受力，且圆筒与过渡锥板接合部焊接的20个筋板加厚到40mm，长度超过圆筒，延伸到过渡圆筒高度一半，此时闷头整体受力最好，既减少了材料使用、同时降低了工具制造难度，节约工具制造成本，满足产品球阀打压试验要求，如图2、图3所示。

图2 带法兰闷头

图3 过渡圆筒

2 水压试验工具的强度计算

闷头设计完成后采用大型有限元法分析程序ANSYS对球阀打压工具刚强度进行了分析计算，目的是为了检验球阀打压工具的刚强度性能是否满足设计要求，材料特性见表1。

表1 材料特性表

根据表1的材料特性，考虑到结构与载荷的周期对称性，选取结构的1/20部分作为计算模型，采用块体单元划分网格。在闷头模型对称面上施加对称约束；在与球阀部分连接处施加对称约束；在闷头过水处施加水压力11.25MPa。仿真结果如图4、图5所示，相关变形情况见表2。

表2 闷头应力、变形情况表

图4 无法兰闷头

图5 带法兰闷头

结果表明：闷头应力和变形结果满足许用要求。

3 结语

该水压试验工具己投入了使用，厄瓜多尔项目机组共8台份，闷头可反复使用，完全满足CCS球阀水压试验要求，操作方便安全可靠。据电机公司水电分厂反映，该工具十分好用，无论从装配到拆卸均十分方便，工具变形小，可反复使用，节省了大量制造成本，比电机公司传统结构好，为我公司高水压试验工具的设计、制造及使用积累了宝贵经验。