高爐煤氣調壓閥組閥體有限元分析

于占忠

（首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責任公司，河北唐山 063200）

0 引言

高爐煤氣調壓閥組是在TRT（Blast Furnace Top Gas Recovery Turbine Unit,高爐煤氣余壓發(fā)電裝置）檢修時控制高爐爐頂壓力，確保高爐在穩(wěn)定壓力下正常生產的關鍵設備。

1 高爐煤氣調壓閥組原理

1.1 調壓閥組設備概況

首鋼京唐公司高爐煤氣調壓閥組由4 個調節(jié)閥組成，見圖1。其中3 個調節(jié)閥為DN1000、1 個自動調節(jié)閥為DN700，閥門采用三偏心彈性金屬硬密封型式。調壓閥組閥門的驅動方式為液壓驅動，調壓閥組工作時，油泵與蓄能器共同工作；TRT 工作時，油泵停轉，蓄能器參與備用狀態(tài)（蓄能器壓力低時，啟動油泵補壓至額定壓力），待TRT 故障時，1 s 打開快開閥，迅速啟動主油泵，自動轉入液壓站工作。

圖1 高爐調壓閥組工藝流程

1.2 調壓原理

TRT 機組控制高爐頂壓時，調壓閥組閥門全部關閉。當TRT停止運行時，調壓閥組投入使用控制高爐頂壓，操作方式為手、自動兩種，就地有閥位顯示及現(xiàn)場操作裝置，控制室有連續(xù)閥位顯示、連續(xù)調節(jié)、閥位高低開度（10 %、70 %）報警功能，進入高爐爐頂計算機系統(tǒng)。DN700 閥門為自動調節(jié)閥，3 個DN1000 閥門之一作為量程閥（3 個蝶閥的功能可互換）。當自動閥閥位開啟到70 %時，量程閥打開，直到自動閥位開度回到60 %時停止；當自動閥閥位開度在（20～30）%時，量程閥開始關閉，直到自動閥恢復到最低線性角度范圍內，若自動閥不能恢復到最低線性角度范圍，則量程閥全部關閉。

2 SolidWorks Simulation（三維實體造型設計仿真軟件）簡介

有限元法的基本思路是把1 個原來是連續(xù)的物體剖分成有限個單元，他們相互連接在有限個節(jié)點上，承受等效的節(jié)點載荷。無論什么類型的有限元分析，基本的求解步驟相同，不同的只是推導公式或運算過程的差別。有限元法是將連續(xù)體離散化，通過對有限個單元作分片插值求解各種力學、物理問題的一種數(shù)值方法[1-4]。Simulation 是SolidWorks 公司開發(fā)的功能強大的有限元分析工具軟件，基本思路是構建零件的幾何模型，將該幾何模型劃分為適度小的有限單元。利用SolidWorks 進行零件實體建模，使用SolidWorks Simulation 對幾何模型進行網格劃分，建立有限元計算模型后，求解器得到作序數(shù)據(jù)進行結果分析。高爐生產過程中調壓閥組中調節(jié)閥開啟角度較小，煤氣流經調壓閥組時，形成射流。這種射流引發(fā)下游管道氣流的強烈擾動，形成強度不同的渦流，每個渦流產生的沖擊直接引發(fā)閥組內的某些部件及與之相連的管道的振動，這種振動影響閥體強度。利用Solidworks Simulation 對閥門在不同工作狀態(tài)下的整體強度進行有限元分析，掌握高爐煤氣調壓閥組閥體強度數(shù)據(jù)對現(xiàn)場設備管理非常重要。

3 調壓閥組閥體強度有限元分析

3.1 蝶板開啟狀態(tài)靜壓力下

3.1.1 確定材料

在Solidworks Simulation 中指定閥體的材料為Q235B，力學性能參數(shù)見表1。

表1 調壓蝶閥閥體材質Q235B 力學性能參數(shù)

3.1.2 定義約束

蝶閥通過閥門兩端配對法蘭與管路用螺栓連接，根據(jù)調壓閥組中蝶閥的工作狀態(tài)，其約束在法蘭的平面和受螺栓軸向力作用的法蘭內側平面。定義約束條件時，Simulation 會自動添加到法蘭整個外端面，此時應根據(jù)實際約束情況，對約束的部位進行重新編輯，見圖2。

3.1.3 加載載荷

調壓蝶閥在靜壓力狀態(tài)下，作用力垂直作用在閥體的內壁上，根據(jù)GB/T 13927—2008 的靜壓強度試驗標準，試驗壓力為額定工作壓力的1.5 倍，即加載載荷0.9 MPa，添加載荷到閥體內腔，加載載荷見圖3。

3.1.4 劃分網格

對約束進行定義、加載載荷0.9 MPa，開始劃分網格，得到25 473 個單元、50 641 個節(jié)點，網格劃分見圖4。

圖2 定義約束條件

圖3 加載載荷

圖4 對閥體劃分網格

運行Simulation，得到分析結果見表2。

在蝶板開啟的靜壓力狀態(tài)下，此時閥體上產生的最大應力為4.8 MPa，發(fā)生在節(jié)點29 251 處，應力云圖見圖5。

最大位移為0.009 mm，發(fā)生在閥體上部與閥體承壓側法蘭連接部位，節(jié)點33 747 處，位移云圖見圖6。

閥體受內壓時，內壁在壓力作用下向外產生變形，最大應力點的等效應力為4.8 MPa，根據(jù)設計規(guī)范，此應力強度不得超過試驗溫度下材料屈服強度σs。閥體的σs為235 MPa，所以應力符合設計要求。最大位移為0.009 mm，閥體的延伸率為26 %，位移符合設計要求。

表2 靜壓力下蝶板開啟時Simulation 分析結果

表3 靜壓力下閥板關閉時Simulation 分析結果

3.2 閥板關閉狀態(tài)

重復3.1.1～3.1.4 步驟，閥板關閉狀態(tài)時，運行Simulation，得到分析結果，見表3。

在閥板關閉的靜壓力狀態(tài)下，此時閥體上產生的最大應力為61.8 MPa，發(fā)生在節(jié)點24515處，應力云圖見圖7。

最大位移為0.012 mm，發(fā)生在節(jié)點33 718處，位移云圖見圖8。

閥體受內壓時，內壁在壓力作用下向外產生變形，最大應力點的等效應力為61.8 MPa，根據(jù)設計規(guī)范，此應力強度不得超過試驗溫度下材料屈服強度σs。閥體 的σs 為235 MPa，所以應力符合設計要求。最大位移為0.012 mm，閥體的延伸率為26 %，位移符合設計要求。

圖5 閥板開啟時的應力云圖

圖6 閥板開啟時的位移云圖

圖7 閥板關閉時的應力云圖

圖8 閥板關閉時的位移云圖

4 結束語

高爐煤氣調壓閥組工作原理和Solidworks Simulation 分析方法。利用Solidworks Simulation 對高爐煤氣調壓閥組閥門在不同工作狀態(tài)下進行整體強度有限元分析，得出閥門在關閉和開啟兩種狀態(tài)下的最大位移量和最大應力，為高爐生產現(xiàn)場設備管理提供技術支持。