高溫蝶閥閥座溫度分布和應(yīng)力分析

喻九陽，鄭 鵬，葉 萌，彭紅宇

(武漢工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430074)/

0 引 言

蝶閥[1]是用隨閥桿轉(zhuǎn)動的圓形蝶板作啟閉件、往復(fù)回轉(zhuǎn)90℃左右來開啟、關(guān)閉和調(diào)節(jié)流體通道的一種閥門，廣泛用于冶金、輕工、電力、石油化工系統(tǒng)的煤氣管道及水道等，其優(yōu)點(diǎn)在于：結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、耗材省、啟閉迅速以及流阻小.國內(nèi)生產(chǎn)的閥門中，將工作溫度t>450 ℃的蝶閥稱為高溫蝶閥[2].

某公司煙機(jī)入口的調(diào)節(jié)閥采用DN1200電液高溫蝶閥，其中，閥體結(jié)構(gòu)為兩偏心形式，且閥體與管道采用焊接連接,其結(jié)構(gòu)尺寸圖如圖1所示.高溫蝶閥的操作溫度為650 ℃，閥座和閥板的材質(zhì)為0Cr18Ni9，保溫層厚度為80～100 mm，保溫材料為防水泡沫石棉.由于操作溫度較高，若溫度分布不均勻或沿壁厚溫度梯度大， 蝶閥就會產(chǎn)生較大的熱變形，導(dǎo)致局部伸縮而出現(xiàn)卡死的可能，從而影響生產(chǎn)的正常運(yùn)行[3].為此，筆者利用ANSYS有限元分析軟件對保溫層厚度100 mm情況下的高溫蝶閥閥座建立了較為精確的三維有限元模型，并進(jìn)行了工作狀態(tài)下熱應(yīng)力分析.

圖1 閥座平面尺寸圖Fig.1 The plane size chart of valve seat

1 幾何模型

利用ANSYS分別建立蝶閥閥座和保溫層的幾何模型，考慮到兩端支撐邊界對蝶閥受力情況的影響，這里將兩端模型向兩端各延長600 mm.其中，各處保溫層厚度為100 mm，整體幾何模型如圖2所示.

圖2 整體幾何模型Fig.2 The overall geometry model

2 有限單元模型

高溫蝶閥閥座以及保溫層之熱分析采用SOLID70單元[4]，在對閥座以及保溫材料采用SOLID70單元劃分中，考慮到集合模型的復(fù)雜性，若直接采用粗糙四面體網(wǎng)格劃分單元，會導(dǎo)致網(wǎng)格嚴(yán)重畸形，直接影響到分析結(jié)果的精度；若采用細(xì)化的四面體網(wǎng)格，單元數(shù)會急劇增加，顯著延長計(jì)算時間或?qū)е虏荒苡?jì)算.為保證網(wǎng)格質(zhì)量和分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，本文將整體分析模型細(xì)分為424個體積塊，并依次進(jìn)行網(wǎng)格劃分，確保有限單元網(wǎng)格的光滑過渡，并不產(chǎn)生嚴(yán)重畸形單元.整體有限單元劃分模型如圖3所示，共24 372個SOLID70單元.

圖3 整體有限元模型Fig.3 The whole finite element model

3 蝶閥熱分析

3.1計(jì)算條件

蝶閥的操作溫度為650 ℃，即將其內(nèi)表面溫度設(shè)置為650 ℃；保溫層與大氣層直接接觸，并與空氣發(fā)生對流換熱，取保溫層外表面的對流換熱系數(shù)為20 W/(m2·K)，參考溫度為25 ℃，另外，考慮到模型兩端的連續(xù)性，端部設(shè)置為絕熱條件；蝶閥閥座保溫層的材料為防水泡沫石棉[5]，其導(dǎo)熱系數(shù)為0.033～0.044 W/(m·K)，為保證計(jì)算的保守性，取值為0.044 W/(m·K).閥座材質(zhì)為304不銹鋼，不同溫度下的導(dǎo)熱系數(shù)[6]如圖4所示，由圖4可知，溫度對材料導(dǎo)熱系數(shù)影響很大，且隨溫度升高而增大.根據(jù)蝶閥平均溫度為325 ℃時的導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，即在溫度為598 K時304不銹鋼的導(dǎo)熱系數(shù)為18 W/(m·K).

圖4 不同溫度下304不銹鋼的導(dǎo)熱系數(shù)Fig.4 Thermal conductivity of 304 stainless steel under different temperature

3.2 分析結(jié)果

施加初始條件和邊界條件后，整體分析模型的溫度分布如圖5所示，結(jié)果表明整體溫度沿軸向基本均勻分布.整體模型溫度沿厚度方向的分布如圖6所示.

圖5 整體溫度分布Fig.5 The overall temperature distribution

圖6 溫度沿厚度方向分布Fig.6 The temperature distribution along the thickness direction

圖6中橫坐標(biāo)0為閥座筒體的內(nèi)徑處，橫坐標(biāo)50為閥座筒體的外徑處(也為保溫層筒體的內(nèi)徑)，而橫坐標(biāo)150為保溫層筒體的外徑處.計(jì)算結(jié)果表明，閥座筒體的溫度沿厚度基本均勻分布，而保溫層的溫度沿厚度呈線性遞減.

由圖7可知，閥座筒體溫度云圖基本一致，而閥座圈處溫度變化較大，且沿周向分布不均勻.具體來說，閥座筒體端部處溫度沿厚度的分布情況如圖8所示，結(jié)果表明閥座筒體整體上溫度均勻，且沿壁厚溫差僅為1 ℃左右； 閥座圈處溫度沿厚度的分布情況如圖9所示，結(jié)果表明閥座圈處沿厚度的溫差較大，最大溫差約為10 ℃，另外，閥座圈處筒體沿壁厚的溫差也略有增加，溫差約為2 ℃.

圖7 閥座溫度分布圖Fig.7 The temperature distribution of valve seat

閥座保溫層溫度分布如圖10(a)所示，結(jié)果表明保溫層選100 mm是合適的，不僅閥座筒體溫差非常小(低于1 ℃)，且保溫層外表面溫度較低.具體而言，保溫層溫度沿壁厚分布情況如圖10(b)所示，結(jié)果表明溫度沿保溫層厚度基本呈線性分布.

圖8 閥座筒體端部處溫度沿厚度的分布Fig.8 Temperature distribution along thickness of the end of valve seat tube

圖9 閥座圈處溫度沿厚度的分布Fig.9 Temperature distribution along the thickness of valve seat ring

圖10 保溫層溫度分布圖Fig.10 The temperature distribution of insulation layer

4 蝶閥熱應(yīng)力分析

4.1 分析方法

ANSYS提供了三種熱應(yīng)力分析的方法[7]，分別為直接分析法、間接耦合法和直接耦合法.

上述熱分析中采用SOLID70單元進(jìn)行熱分析，這里根據(jù)間接法進(jìn)行熱應(yīng)力分析，采用ETCHG命令可將SOLID70單元轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的SOLID45單元，并設(shè)置結(jié)構(gòu)分析中的材料屬性(包括熱膨脹系數(shù))以及前處理細(xì)節(jié)，如節(jié)點(diǎn)耦合、約束方程等，在讀入熱分析中的節(jié)點(diǎn)溫度即可進(jìn)行熱應(yīng)力求解.

4.2 材料屬性及邊界條件

根據(jù)蝶閥的操作條件，本文的初始條件及邊界條件如下：

(1)材料屬性

蝶閥的材質(zhì)為304不銹鋼，其彈性模量為1.95×105 MPa，泊松比為0.3，熱膨脹系數(shù)為1.7×10-5℃.蝶閥保溫層的材料為防水泡沫石棉，其剛度遠(yuǎn)小于304不銹鋼，可不考慮保溫層對熱應(yīng)力的影響.

(2)溫度載荷

蝶閥的初始操作溫度為650 ℃，保溫層外表面與空氣自然對流換熱.穩(wěn)態(tài)條件下，溫度數(shù)據(jù)通過熱分析計(jì)算得出，并保存在*.rth文件中，進(jìn)行熱分析時，通過GUI：Solution>Load Apply>Temperature>From Thermal Analysis命令，輸入或選擇熱分析結(jié)果文件名*.rth，可將穩(wěn)態(tài)熱分析所得溫度場加載到熱應(yīng)力分析模型.

(3)邊界條件

在整體分析模型入口端的斷面上施加固定邊界，而另一端的斷面保持為平面，即耦合軸向方向的位移.

4.3 計(jì)算結(jié)果

圖11顯示了蝶閥閥座不同方向上的位移，其中圖11(a)為徑向位移，結(jié)果表明閥座筒體徑向位移均勻，閥座筒體內(nèi)壁徑向位移為6.6 mm左右；圖11(b)為周向位移，結(jié)果表明蝶閥閥座的周向位移很小，可以忽略不計(jì)，這是因?yàn)殚y座溫度沿周向分布均勻；圖11(c)為軸向位移，結(jié)果表明其軸向位移較大，最大值為16.72 mm.值得注意的是，蝶閥的軸向位移不僅與溫度有關(guān)，還與其軸向邊界條件有關(guān).

圖11 蝶閥閥座的位移Fig.11 The displacement of the valve seat

圖12顯示了蝶閥閥座的各種應(yīng)力，其中12(a)為徑向應(yīng)力，12(b)為周向應(yīng)力，12(c)為軸向應(yīng)力，12(d)為等效應(yīng)力.結(jié)果表明蝶閥閥座的各應(yīng)力值較小，最大徑向應(yīng)力值為13.6 MPa，最大周向應(yīng)力值為28.9 MPa，最大軸向應(yīng)力值為15.2 MPa，最大等效應(yīng)力值為27.7 MPa.值得注意的是，本文分析中將入口一側(cè)取為固定支撐，而另一端自由支撐[8]，這樣處理并不是實(shí)際工況，僅為平衡閥座的各向應(yīng)力，而根據(jù)圣維南原理，該固定邊界僅影響固定支撐附近的應(yīng)力狀態(tài)，而不影響遠(yuǎn)端的應(yīng)力狀態(tài).因此，閥座出口端附近均勻的應(yīng)力分布狀態(tài)是真實(shí)的.

圖12 蝶閥閥座的各種應(yīng)力Fig.12 The stresses of butterfly valve seat

5 結(jié) 語

針對高溫蝶閥在運(yùn)行過程中存在熱變形的問題，對閥座及其保溫層的溫度分布和應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行了分析，結(jié)論如下：

(1)閥座保溫層為100 mm時，閥座筒體整體上溫度均勻，且沿壁厚溫差僅為1 ℃左右；閥座圈處溫度沿厚度的溫差較大，最大溫差約為10 ℃；閥座圈處的筒體沿壁厚的溫差約為2 ℃；而保溫層的溫度沿厚度呈線性遞減，不僅閥座筒體溫差非常小，且保溫層外表面溫度較低，結(jié)果表明保溫層選取100 mm是合適的.

(2)蝶閥在650 ℃操作條件下，閥座筒體徑向位移均勻，內(nèi)壁位移值為6.3 mm左右；周向位移很小，可以忽略不計(jì)；軸向位移較大，最大值為16.72 mm.

(3)，當(dāng)保溫層為100 mm時，產(chǎn)生的熱應(yīng)力很小，閥座筒體的所承受的等效應(yīng)力較小，最大值僅為27.7 MPa，滿足安全使用要求.

致 謝

在此特別感謝國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(50976080)以及武漢工程大學(xué)科學(xué)研究基金項(xiàng)目(14125061)給予的大力資助.

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