基于SolidWorks的安全閥閥座仿真分析

孫 琦 謝常歡 謝青延

(深圳市特種設(shè)備安全檢驗(yàn)研究院 深圳 518109)

安全閥是鍋爐、壓力容器和壓力管道上極其重要的安全泄壓裝置，在承壓設(shè)備或系統(tǒng)超壓時(shí)起自動(dòng)泄壓保護(hù)作用[1]，其產(chǎn)品質(zhì)量性能的好壞直接影響承壓設(shè)備的安全運(yùn)行。在評(píng)價(jià)安全閥質(zhì)量安全的三大指標(biāo)——?dú)んw強(qiáng)度與密封、動(dòng)作性能和排量性能中，排量性能指標(biāo)尤為重要，具體如下：

1）安全閥排量不足會(huì)導(dǎo)致設(shè)備系統(tǒng)超壓，造成承壓特種設(shè)備爆炸；

2）增加安全閥排放效率，有助于提高其單位面積排放量。這樣，在相同的安全泄放量要求下，承壓特種設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)最小的設(shè)備開孔，使應(yīng)力分布更加合理，確保承壓特種設(shè)備安全。

3）在應(yīng)力分布更加合理的情況下，設(shè)備的開孔補(bǔ)強(qiáng)等更加易于實(shí)現(xiàn)。這樣，能節(jié)約大量鋼材，使特種設(shè)備的生產(chǎn)更加經(jīng)濟(jì)合理，同時(shí)，也實(shí)現(xiàn)了節(jié)能減排。

筆者在日常型式試驗(yàn)檢驗(yàn)工作中發(fā)現(xiàn)安全閥產(chǎn)品質(zhì)量普遍存在排放性能不足的問題。同時(shí)，在與廣大安全閥企業(yè)的交流中，各企業(yè)提及在企業(yè)拓展國際市場(chǎng)時(shí)，國外用戶提出按ASME 要求有效排量系數(shù)為0.975（我國設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定為最低0.77），針對(duì)此技術(shù)條件很難達(dá)到。美國NB 壓力釋放裝置實(shí)驗(yàn)室每只安全閥檢驗(yàn)綜合費(fèi)用達(dá)十萬元人民幣之巨，國內(nèi)安全閥廠家取證通過率極低。如此巨大的技術(shù)難關(guān)已經(jīng)制約了我國安全閥產(chǎn)品走向世界。

隨著我國核電站的大量興建，鑒于日本福島核事故、美國三里島核事故（該事故促使美國NB 成立壓力釋放裝置實(shí)驗(yàn)室）的教訓(xùn)，監(jiān)管部門要求使用在核島上的安全閥按不同型號(hào)、不同規(guī)格逐只進(jìn)行安全閥排量試驗(yàn)。為此，國內(nèi)兩家著名安全閥廠家在深圳市特種設(shè)備安全檢驗(yàn)研究院進(jìn)行了大量的第三方排量性能試驗(yàn)。從試驗(yàn)的過程及結(jié)果來看，不論是安全閥生產(chǎn)廠家還是獨(dú)立第三方檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)，在目前的形式下，開展閥座排量性能的研究是刻不容緩的。

因此，深圳市特種設(shè)備安全檢驗(yàn)研究院就安全閥閥座結(jié)構(gòu)形式對(duì)排放性能影響的研究向國家質(zhì)檢總局申請(qǐng)科研項(xiàng)目立項(xiàng)，并得到了總局的批準(zhǔn)，項(xiàng)目編號(hào)：2013QK268。為此，我們開展了一些基礎(chǔ)性研究及仿真測(cè)試。根據(jù)測(cè)試結(jié)果撰寫此文。

影響安全閥排量性能的因素有閥座結(jié)構(gòu)形式、反沖盤結(jié)構(gòu)形式及其開啟高度，本文將以安全閥的閥座結(jié)構(gòu)形式作為切入點(diǎn)，在不改變反沖盤結(jié)構(gòu)形式及其開啟高度的情況下，利用SolidWorks 仿真軟件計(jì)算分析閥座結(jié)構(gòu)形式對(duì)安全閥排放性能的影響，從而優(yōu)化閥座的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

1 安全閥排放過程流體理論分析

安全閥的閥座結(jié)構(gòu)形式采用拉法爾噴管[1]。噴管是一種特殊的管道，呈縮放狀，介質(zhì)流經(jīng)噴管后，壓力下降，速度增加[2]。安全閥噴管在實(shí)際排放過程中，氣體流動(dòng)是穩(wěn)定的或接近于穩(wěn)定的，如圖1 所示的噴管，如果工質(zhì)在其中作穩(wěn)定流動(dòng)，則它的1-1 截面、2-2截面以及任意的x-x 截面上的所有參數(shù)均不隨時(shí)間而變化。這樣，氣體流動(dòng)就屬于只沿著流動(dòng)方向發(fā)生變化的一維穩(wěn)定流動(dòng)問題。氣體穩(wěn)定流動(dòng)過程的基本方程有連續(xù)性方程、能量方程和過程方程。

圖1 拉法爾噴嘴

氣體在噴管中穩(wěn)定流動(dòng)應(yīng)當(dāng)滿足質(zhì)量守恒定律。即在噴嘴的任何空間中氣體的質(zhì)量應(yīng)該保持恒定不變。

其微分形式為：

氣體在噴管中要進(jìn)行熱量和動(dòng)能之間的轉(zhuǎn)換，因此必須滿足熱力學(xué)第一定律，即穩(wěn)定流動(dòng)能量方程式：

氣體在噴管中的穩(wěn)定流動(dòng)可以視為絕熱的過程，其過程方程式是：

以上連續(xù)性方程、能量方程和過程方程作為安全閥閥座噴嘴排放過程仿真計(jì)算的基本依據(jù)。

2 安全閥排放過程流體仿真

筆者通過市場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前在用、在產(chǎn)的安全閥，其生產(chǎn)工藝為澆鑄粗加工及機(jī)床精加工。由于生產(chǎn)成本的原因，閥座縮放通道多采用直線過渡，未采用圓弧過渡。同時(shí)，縮放通道的直線夾角在相關(guān)的設(shè)計(jì)手冊(cè)及標(biāo)準(zhǔn)未作規(guī)定。因此，每個(gè)安全閥生產(chǎn)廠家都是根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)而定。在我們進(jìn)行安全閥型式試驗(yàn)的過程中，其閥座縮放通道設(shè)計(jì)各式各樣，產(chǎn)品安全性能參差不齊，這為特種設(shè)備安全監(jiān)管帶來不利。

從流體力學(xué)的角度來看，最優(yōu)的通道設(shè)計(jì)應(yīng)該是閥座縮放通道形狀應(yīng)符合流體速度邊界層的分布，也就是我們所說的閥座縮放通道采用圓弧過渡。但這樣會(huì)增加生產(chǎn)制造成本。

如何在生產(chǎn)制造成本與排放性能的提高中尋找一個(gè)平衡點(diǎn)，就是我們安全閥排放過程流體仿真的目的。

本次流體仿真的過程為：

1）安全閥閥座建模；

2）閥座漸縮管壁不同角度模型的仿真；

3）閥座直線、圓弧模型仿真比對(duì)；

2.1 安全閥閥座建模

以DN80 全啟式安全閥為例，根據(jù)安全閥的設(shè)計(jì)圖紙?jiān)赟olidWorks 中進(jìn)行建模。安全閥排放過程認(rèn)為在理想狀態(tài)下進(jìn)行的，是一個(gè)絕熱過程，忽略溫度變化影響的因素以及管壁對(duì)氣體的摩擦阻力。

SolidWorks 仿真軟件針對(duì)安全閥仿真需要的邊界條件是：進(jìn)口壓力、出口壓力、仿真工件的幾何尺寸以及介質(zhì)種類。

安全閥仿真試驗(yàn)邊界條件是；排放壓力，即進(jìn)口壓力1.0MPa(絕對(duì)壓力)；出口壓力即排放背壓，出口壓力為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓；幾何尺寸為設(shè)計(jì)圖紙；介質(zhì)為飽和蒸汽。

SolidWorks 仿真軟件的仿真原理是安全閥內(nèi)部空間的網(wǎng)格劃分，針對(duì)現(xiàn)有安全閥的網(wǎng)格劃分及建立的模型如圖2 所示。

圖2 閥座網(wǎng)格圖

2.2 閥座直線模型仿真

拉法爾噴管的縮放通道都采用直線過渡即直線模型，即安全閥市場(chǎng)上現(xiàn)有類型。直線模型分9°、10°、11°、12°、13°五種模型，即閥座的漸縮管壁夾角分別為9°、10°、11°、12°、13°。如圖3所示。

圖3 閥座結(jié)構(gòu)圖

在SolidWorks 中的仿真結(jié)果如圖4 所示，表1列出四種模型的最高速度及其喉徑處的速度值。

表1 閥座喉徑最高速度對(duì)比表

圖4 閥座仿真結(jié)果圖

從表1 看出，拉法爾噴管的縮放通道都采用直線過渡即直線模型，夾角為11°，其排放性能最優(yōu)。

2.3 閥座直線、圓弧模型仿真

在不改變反沖盤結(jié)構(gòu)形式及其開啟高度的前提下，將閥座噴管的結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)成以下四種，如圖5 所示：

1）拉法爾噴管的縮放通道都采用直線過渡即直線模型，夾角分別11°；

2）拉法爾噴管的漸縮通道采用圓弧過渡，漸放通道不變，即下圓弧模型；

3）拉法爾噴管的漸放通道采用圓弧過渡，漸縮通道不變，即上圓弧模型；

4）拉法爾噴管的縮放通道都采用圓弧過渡即雙圓弧模型。

圖5 閥座結(jié)構(gòu)圖

在SolidWorks 中的仿真結(jié)果如圖6 所示。表2列出四種模型的最高速度及其喉徑處的速度值。

表2 閥座喉徑最高速度對(duì)比表

從2 表可以看出，拉法爾噴管的縮放通道都采用雙圓弧模型，其排放性能最優(yōu)。

圖6 閥座仿真結(jié)果圖

3 分析總結(jié)

仿真過程中我們對(duì)多種壓力工況進(jìn)行仿真，由于文章篇幅的原因，未一一列舉。根據(jù)仿真數(shù)據(jù)分析總結(jié)如下：

1）從表2 可以看出：在本次比對(duì)的模型中，拉法爾噴管的縮放通道都采用圓弧過渡即雙圓弧模型的喉徑處速度及排放量最大；拉法爾噴管的縮放通道都采用直線過渡即直線模型，也就是我們常規(guī)結(jié)構(gòu)形式的安全閥閥座喉徑處速度及排放量較小。最大排放量與最小排放量相比，排量增加3%；

2）采用圓弧過渡即雙圓弧模型的閥座由于生產(chǎn)成本的因素，幾乎不可能實(shí)現(xiàn)量化生產(chǎn)。同時(shí)，相對(duì)于直線過渡即直線模型，其排量增加有限；

3）采用圓弧過渡即雙圓弧模型的閥座從排放過程流體仿真的速度場(chǎng)分布來看，其速度增加較快。較快的流體速度有助于形成良好的動(dòng)力場(chǎng)，大大改善閥門的動(dòng)作性能特性；

從以上分析可以看出：在本次仿真研究過程中，針對(duì)所涉及的樣品標(biāo)本，拉法爾噴管的縮放通道在生產(chǎn)條件允許的情況下，盡量采用圓弧過渡。在本次閥座仿真研究中，由于經(jīng)費(fèi)、時(shí)間等因素及我們閥座樣品的有限性，研究的廣度、深度有限，研究?jī)?nèi)容及結(jié)果適用性也有限。在后來與安全閥制造廠相關(guān)工程技術(shù)人員的交流中，本次仿真研究對(duì)安全閥閥座的設(shè)計(jì)有一定的指導(dǎo)意義。

[1] 周震.鍋爐壓力容器壓力管道安全泄放裝置實(shí)用手冊(cè)(安全閥)[M].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量出版社，2000，34-35.

[2] 朱明善，劉穎，林兆莊，等.工程熱力學(xué)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2002，64-65.

[3] 孫琦，謝青延.關(guān)于電站鍋爐安全閥型式試驗(yàn)排放性能測(cè)試方法的討論[J].中國特種設(shè)備安全，2014,30（11）：10-12.