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），并選擇每個節點具有3個自由度的20節點六面體單元SOLID95劃分網格。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*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域的*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，結果表明選擇恰當的鋼板尺寸和厚度，可以實現金屬材料和應力水平的很好協調。