高溫沖擊下三偏心蝶閥的密封性能

潘永軍 雷威 李罡 韓宗真

摘要： 某三偏心金屬蝶閥在工作中承受瞬時高溫、高壓沖擊，為探索該環(huán)境工況對蝶閥密封性能的影響，采用Ansys軟件對蝶閥進行熱結(jié)構(gòu)間接耦合分析，研究高溫、高壓沖擊下蝶閥的變形、應(yīng)力分布和密封特性。蝶閥的溫度分布結(jié)果表明瞬間的高溫僅造成蝶閥溫度升高0.23 K，而3.0 MPa的沖擊可使得閥門密封面之間的接觸應(yīng)力平均增大60.0 MPa。密封比壓的增大表明閥門在沖擊下密封情況良好，分析結(jié)果可為特殊工況條件下三偏心蝶閥的選型與改進提供指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞： 三偏心蝶閥;高溫;高壓;耦合;接觸應(yīng)力;密封比壓

Abstract： A threeeccentric metal butterfly valve withstands instantaneous high temperature and high pressure impact during operation. To explore the influence of this environmental condition on the sealing performance of the butterfly valve， the indirect thermalstructural coupling analysis of the butterfly valve is carried out by Ansys software， and then the deformation， stress distribution and sealing performance of the butterfly valve under high temperature and high pressure impact are studied. The temperature distribution results of the butterfly valve show that the instantaneous high temperature only causes the butterfly valve temperature to rise by 0.23 K， and the impact of 3.0 MPa can make the contact stress between valve sealing surfaces increase by 60.0 MPa on average. The increase of sealing pressure indicates that the valve is well sealing under the impact. The analysis results can provide guidance for the selection and improvement of threeeccentric butterfly valve under special working conditions.

Key words： threeeccentric butterfly valve;high temperature;high pressure;coupling;contact stress;sealing pressure

0 引 言

按照結(jié)構(gòu)原理，蝶閥可分為中線蝶閥和偏心蝶閥2種，偏心蝶閥又可以細分為單偏心蝶閥、雙偏心蝶閥和三偏心蝶閥。[1]三偏心金屬蝶閥具有良好的耐高溫和雙向密封性能，被廣泛應(yīng)用于石油、電力和化工等行業(yè)。[2]國內(nèi)學(xué)者針對偏心蝶閥開展大量的研究：張曉等[3]和周璟瑩[4]分別進行蝶閥和球閥的低溫?zé)峤Y(jié)構(gòu)耦合分析;何慶中等[5]利用Abaqus研究不同偏心參數(shù)下三偏心蝶閥的密封性能;明友[6]和楊恒虎[7]對三偏心密封圈的偏心參數(shù)和轉(zhuǎn)動干涉問題開展大量研究。但是，對高溫沖擊下偏心蝶閥接觸應(yīng)力響應(yīng)的研究極少。本文針對三偏心金屬蝶閥在瞬時高溫高壓沖擊下的溫度場和應(yīng)力場進行計算，并通過接觸應(yīng)力變化分析由此引發(fā)的蝶閥密封性能問題。

1 三偏心蝶閥結(jié)構(gòu)及其材料參數(shù)

1.1 三偏心蝶閥結(jié)構(gòu)及其工作環(huán)境

三偏心蝶閥結(jié)構(gòu)原理見圖1，其中α為圓錐面中心線偏心角，β為1/2圓錐面頂角，a為徑向偏心，e為軸向偏心。本文分析的蝶閥的相關(guān)參數(shù)分別為α=8.0°、β=15.8°、a=3 mm、e=26 mm、密封圈厚度b=6 mm。偏心值的存在可以避免密封面在開啟/關(guān)閉過程中與閥座發(fā)生干涉，從而減少開啟/關(guān)閉時密封副之間的磨損，對于延長密封件使用壽命、保證蝶閥密封性能有重要作用。

三偏心蝶閥的工作環(huán)境示意見圖2。

蝶閥一側(cè)長期處于海水浸泡環(huán)境中，海水壓力可以忽略不計;蝶閥另一側(cè)長期處于常溫大氣環(huán)境中，不定時承受瞬時高溫高壓（約2 s、1 073.15 K（800.00 ℃）、3.0 MPa）氣流的沖擊。

1.2 蝶閥材料參數(shù)

蝶閥主要由閥體、閥桿、閥座、蝶板和金屬密封圈等組成，使用的材料為316不銹鋼，其密度為8 000 kg/m3，彈性模量為193 GPa，屈服強度為205 MPa，泊松比為0.3，273.15～373.15 K（0～100.00 ℃）時的熱膨脹系數(shù)為15.9×10-6 K-1，373.15 K（100.00 ℃）時的熱導(dǎo)率為16.3 W/（s·K），773.15 K（500.00 ℃）時的熱導(dǎo)率為21.5 W/（s·K），比熱容為500 J/（kg·K）。[8]當(dāng)材料承受的載荷不超過其屈服強度時，可以使用各向同性線彈性材料模型。

2 三偏心蝶閥有限元模型

閥座、蝶板、閥體和金屬密封圈具有對稱性，為減小計算量、提升計算效率，采用1/2模型進行計算，見圖3。先使用CATIA軟件對三偏心蝶閥進行建模并合理簡化，然后導(dǎo)入Ansys軟件中劃分網(wǎng)格，得到的有限元網(wǎng)格模型見圖4。

蝶板左側(cè)與高溫氣流間的主要換熱方式是對流換熱，考慮到氣流的瞬間沖擊作用，對流換熱系數(shù)取25 W/（m2·K）;蝶板右側(cè)為靜止的海水，對流換熱系數(shù)取200 W/（m2·K）;對稱面設(shè)置為絕熱面，其余表面均與大氣進行自然對流換熱，對流換熱系數(shù)取5 W/（m2·K），系統(tǒng)初始溫度設(shè)置為293.15 K（20 ℃）。金屬密封圈與閥座之間建立熱傳導(dǎo)接觸，視為具備良好的導(dǎo)熱條件。

對模型進行熱分析，將得到的溫度分布結(jié)果作為熱應(yīng)力載荷施加到結(jié)構(gòu)場中，同時在蝶板承壓側(cè)施加3.0 MPa的壓力，對稱面施加對稱約束，蝶板右

側(cè)水壓忽略不計。修改金屬密封圈與閥座之間的接觸模型，進行結(jié)構(gòu)場分析，密封圈與閥座之間的摩擦因數(shù)設(shè)置為0.1，可計算得到蝶閥在高溫氣流沖擊下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布情況。[910]

3 計算結(jié)果分析

3.1 溫度場分析

使用瞬態(tài)溫度場分析進行溫度場計算，高溫氣流沖擊2 s時蝶閥的溫度分布見圖5。由此可知：溫度上升最高僅為0.23 K;溫度以蝶板軸心為中心向外呈現(xiàn)下降趨勢，但是由于316不銹鋼具有良好的導(dǎo)熱性，閥體溫度整體上升較均勻，溫差在0.05 K以內(nèi)。溫度的均勻分布使閥體受到的熱應(yīng)力亦均勻，從而避免應(yīng)力集中。

3.2 應(yīng)力場分析

蝶閥的位移和應(yīng)力分布見圖6。最大位移出現(xiàn)在金屬密封圈底部，位移值約為0.16 mm;最大應(yīng)力出現(xiàn)在靠近金屬密封圈頂部的位置，應(yīng)力值達到165.6 MPa。這是因為密封圈頂部密封面切線與閥體軸線夾角小于密封圈底部密封面切線與閥體軸線夾角，且密封圈頂部密封面積大，從而可承受更多的應(yīng)力，密封圈底部阻力較小所以位移最大。

將金屬密封圈沿厚度方向分成4層提取4組接觸應(yīng)力，計算厚度方向的接觸應(yīng)力平均值，得到密封圈接觸應(yīng)力分布見圖7。

金屬密封面上的接觸應(yīng)力表現(xiàn)為波浪型分布，這與網(wǎng)格密度有一定關(guān)系。由圖7可知：高溫沖擊對密封面造成的密封壓力平均約為60 MPa，說明密封圈整體密封情況良好;少數(shù)節(jié)點出現(xiàn)接觸應(yīng)力為0的情況，分析其原因可能是因為模型本身為非連續(xù)模型，所以出現(xiàn)部分接觸單元的節(jié)點由于變形等原因無法與目標(biāo)單元接觸的現(xiàn)象。

4 結(jié) 論

對高溫高壓沖擊下的三偏心蝶閥進行熱結(jié)構(gòu)耦合分析，發(fā)現(xiàn)瞬間高溫對蝶閥的影響很小，蝶閥升溫最高處僅為0.23 K，由此帶來的變形和應(yīng)力變化極小，而3.0 MPa的沖擊載荷平均可增加60.0 MPa的密封比壓。蝶閥偏心的存在導(dǎo)致密封圈受力不均勻，當(dāng)?shù)y受到載荷沖擊時，蝶板與密封圈存在微小的偏轉(zhuǎn)，可能會導(dǎo)致局部應(yīng)力集中進而引發(fā)密封失效。采用增加密封圈厚度、使用硬度更高的密封材料、調(diào)整三偏心參數(shù)等方式可以改善蝶閥的沖擊受力不均勻問題。

參考文獻：

[1] 陸培文. 實用閥門設(shè)計手冊[M]. 2版. 北京： 機械工業(yè)出版社， 2007： 115.

[2] 張韶宇， 崔紅力， 李志強， 等. 鈦合金硬密封三偏心蝶閥的研制[J]. 國防制造技術(shù)， 2017（3）： 2629. DOI： 10.3969/j.issn.16745574.2017.03.008.

[3] 張曉， 余曉明， 朱祥政， 等. 基于Ansys的低溫蝶閥模擬試驗與數(shù)據(jù)分析[J]. 低溫工程， 2014（4）： 4650. DOI： 10.3969/j.issn.10006516.2014.04.010.

[4] 周璟瑩. 超低溫球閥熱固耦合分析及密封材料性能研究[D]. 蘭州： 蘭州理工大學(xué)， 2017. DOI： 10.7666/d.D01248074.

[5] 何慶中， 王渝皓， 王佳， 等. 基于Abaqus的三偏心水電主控蝶閥密封性研究[J]. 水力發(fā)電， 2016， 42（5）： 9094. DOI： 10.3969/j.issn.05599342.2016.05.024.

[6] 明友. 基于閥門仿真系統(tǒng)的三偏心蝶閥的結(jié)構(gòu)及運動性能分析[D]. 蘭州： 蘭州理工大學(xué)， 2006. DOI： 10.7666/d.y910194.

[7] 楊恒虎. 新偏心蝶閥結(jié)構(gòu)設(shè)計及參數(shù)優(yōu)化[D]. 重慶： 重慶理工大學(xué)， 2016. DOI： 10.7666/d.D00991824.

[8] 朱訓(xùn)智， 何曉聰， 高山風(fēng). 316不銹鋼材料的統(tǒng)計熱疲勞模型[J]. 新技術(shù)新工藝， 2010（10）： 7981. DOI： 10.3969/j.issn.10035311.2010.10.027.

[9] 李潤方， 龔劍霞. 接觸問題數(shù)值方法及其在機械設(shè)計中的應(yīng)用[M]. 重慶： 重慶大學(xué)出版社， 1991： 7190.

[10] 劉磊， 文衛(wèi)兵， 王乘. 雙金屬密封結(jié)構(gòu)的有限元分析[J]. 潤滑與密封， 2001（6）： 48. DOI： 10.3969/j.issn.02540150.2001.06.002.

（編輯 武曉英）