基于熱固耦合的高溫閘閥密封與強(qiáng)度分析

陳宗杰 張孫力

摘要：為保證閘閥在高溫工況下運(yùn)行的安全可靠性，文中結(jié)合閥門設(shè)計殼體與密封試驗(yàn)要求，采用有限元仿真分析方法對NPS3-CL300高溫閘閥的密封性、溫度場和應(yīng)力場進(jìn)行計算分析。結(jié)果表明，所設(shè)計的閘閥在常溫下滿足密封與強(qiáng)度試驗(yàn)要求;在425℃高溫下工作，上密封填料溫度，閥體和閥蓋應(yīng)力滿足材料強(qiáng)度性能與設(shè)計要求，具有良好的工程實(shí)用價值。

關(guān)鍵詞：高溫閘閥;溫度場;應(yīng)力場;強(qiáng)度

Sealing and Strength Analysis of High Temperature Gate Valves Based on Thermo-solid Coupling

CHEN Zong-Jie1，2 ， ZHANG Sun-Li1，2

（ 1 Fujian Special Equipment Inspection and Research Institute，F(xiàn)uzhou 350008， Fujian ， China）

（2 National Quality Inspection and Testing Center of Valve Products （Fujian），Quangang 362800，F(xiàn)ujian， China）

Abstract： In order to ensure the safe and reliable operation of the gate valve under high temperature conditions， combined with the valve design shell and sealing experiment requirements， the finite element simulation analysis method is used to calculate and analyze the sealing performance， temperature field and stress field of the NPS3-CL300 high temperature gate valve. The results show that the designed gate valve meets the sealing and strength test requirements at room temperature; Working at a high temperature of 425℃， the temperature of the upper seal packing and the stress of the valve body and bonnet meet the material strength performance and design requirements， which has good engineering practical value.

Key Words：? High temperature gate valve; Temperature field; Stress field; Strength

1 前言

閘閥是一種啟閉件由閥桿帶動，沿密封面做直線運(yùn)動的閥門，由于其具有流體阻力小、啟閉阻力小、介質(zhì)流動方向不受限制、結(jié)構(gòu)長度較短、密封性能好等特點(diǎn)[1]，廣泛應(yīng)用于精煉廠、化工廠、電站和工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)設(shè)備中。隨著現(xiàn)代設(shè)備的發(fā)展，閘閥的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，開始向高溫高壓方向發(fā)展。制造高溫高壓閘閥的關(guān)鍵，是解決由于溫度變化引起的閘板楔死問題和保證其可靠的使用密封性能[2]，同時保證實(shí)際使用中的應(yīng)力分布滿足材料性能要求。

目前研究者們已經(jīng)對閘閥進(jìn)行了大量研究，楊偉東[3]等對電動高溫閘閥溫度場進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，并通過優(yōu)化筋板結(jié)構(gòu)減小了熱應(yīng)變。柳雄[4]等對電動閘閥進(jìn)行了流固耦合分析，并進(jìn)行輕量化設(shè)計有效降低了產(chǎn)品質(zhì)量。劉惺[5]等通過流固耦合方法分析了雙閘板閘閥閥座失效的問題，并對閥座外徑進(jìn)行優(yōu)化，有效降低等效應(yīng)力。趙英博[6]等在高溫鍛鋼閘閥熱固耦合分析的結(jié)果基礎(chǔ)上，對所研究閥門進(jìn)行應(yīng)力評定，得到所設(shè)計閥門滿足使用要求。劉惺[7]等采用動網(wǎng)格技術(shù)對閘閥進(jìn)行了瞬態(tài)開啟的流場研究。Liu等[8]運(yùn)用流體仿真軟件對閘閥的流動特性進(jìn)行了分析，并提出了合理的流道結(jié)構(gòu)改進(jìn)方法。Luo 等[9]基于Abaqus仿真得到的應(yīng)力分布特性對閥體進(jìn)行了輕量化設(shè)計?？梢婇l閥使用的可靠性和經(jīng)濟(jì)性是現(xiàn)階段閘閥設(shè)計研究的主要方向。

文中采用ANSYS對NPS3-CL300高溫閘閥的強(qiáng)度與密封進(jìn)行仿真計算，分析了高溫閥門的強(qiáng)度與密封特性，研究結(jié)果可為高溫閘閥設(shè)計性能判定與優(yōu)化提供參考，并可作為設(shè)計單位高溫閘閥設(shè)計的重要校核結(jié)論之一。

2高溫閘閥結(jié)構(gòu)與材料

文中以NPS3-CL300高溫閘閥為研究對象，主要由閥體、閥板、閥蓋、填料、手輪、散熱片、閥桿等部件組成。建立相應(yīng)三維閥門結(jié)構(gòu)模型，并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對所研究的散熱片、填料以及密封面進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化。結(jié)構(gòu)簡圖與網(wǎng)格劃分如圖1所示，網(wǎng)格數(shù)量為66797，節(jié)點(diǎn)數(shù)為136434。閥體、閥蓋、閘板的材料選用CF8，閥桿材料選用F304，散熱片材料選用304，相關(guān)材料425℃的主要屬性如表1所示。

3 高溫閘閥溫度場計算

3.1 數(shù)學(xué)模型

高溫閘閥的穩(wěn)態(tài)熱分析主要涉及閥門零部件之間的熱傳導(dǎo)和閥門與外部空氣的對流換熱。熱傳導(dǎo)主要是指熱量從閥體內(nèi)壁面向閥體低溫部分與閥門低溫零部件傳遞的過程。熱傳導(dǎo)的數(shù)學(xué)表達(dá)式為[10]：

（1）

式中：為熱流量，W;為導(dǎo)熱系數(shù)，

W/（m·℃）;為垂直于熱流方向的截面面積，m2;為溫度在方向的變化率;負(fù)號表示熱量傳遞方向與溫度升高方向相反。

熱對流主要指閥門與流動空氣之間存在的溫差所引發(fā)的熱量轉(zhuǎn)移過程，與閥門散熱面的幾何形狀和放置位置直接相關(guān)。熱對流的基本計算式為：

（2）

式中：為熱對流系數(shù)，W/（m2·℃）;為換熱面積，m2;為流體與壁面的溫差，℃。

對于已知閥門表面和流體之間對流換熱系數(shù)h以及流體的溫度f的邊界條件，可表述為：

（3）

式中：為閥門外壁面溫度，℃;為溫度在方向的變化率。

3.2 仿真結(jié)果及分析

研究的高溫閘閥的工作溫度為425℃。在閥門內(nèi)部與流體接觸表面添加工作溫度，設(shè)置環(huán)境溫度為22℃，對流換熱系數(shù)為12.5W/m2·K。

通過穩(wěn)態(tài)熱分析得到高溫閘閥的溫度場分布如圖2所示，從圖中得到溫度總體呈現(xiàn)從下到上減小的趨勢，在散熱片所在閥蓋頸部溫度下降較快，在手輪位置溫度降到最低值為41.85℃。圖3到圖6為高溫閘閥閥體、閥蓋、散熱片、填料等部件的溫度場云圖。從圖3得到閥體最高溫度為425℃，沿著內(nèi)壁面溫度向外部逐漸降低，最低溫度396℃出現(xiàn)在閥體兩端法蘭外邊緣。圖4中閥蓋溫度變化明顯，從425℃呈梯度分布降到79.97℃。圖5中散熱片由內(nèi)到外，由下到上溫度變化明顯，最大溫差達(dá)到了123.51℃。從圖6得到所研究高溫閘閥結(jié)構(gòu)在工作情況下的下部填料最高溫度為209.53℃。計算結(jié)果表明設(shè)計閥門在使用中的填料和手輪溫度符合實(shí)際使用要求，散熱片散熱效果顯著。

4 高溫閘閥應(yīng)力場計算

4.1 密封比壓計算與分析

本次設(shè)計的高溫閘閥在實(shí)際工況使用中的密封比壓必須要大于設(shè)計的密封必須比壓，小于密封許用比壓，才能達(dá)到密封效果，防止泄漏發(fā)生。當(dāng)密封材料為硬質(zhì)合金時，密封許用比壓為250MPa，密封必須比壓的計算公式為[11]：

（4）

式中：為公稱壓力，MPa;為密封面寬度，mm。

設(shè)計閥門的密封面寬度為4.5mm，公稱壓力為5MPa，得到結(jié)果為12.67MPa。

密封試驗(yàn)是檢驗(yàn)閥門密封副密封性能的試驗(yàn)，仿真分析中采用工作壓力的1.1倍壓力，既在密封結(jié)構(gòu)前的閘板和閥體內(nèi)腔面添加3.08MPa的壓力，并在閥體進(jìn)口端施加固定約束來模擬流體沖擊閘板的密封試驗(yàn)過程，檢驗(yàn)密封效果。閥座與閥體的接觸面采用摩擦約束，約束系數(shù)設(shè)置為0.1，仿真結(jié)果如圖7所示。由圖7得到閥門關(guān)閉時，最大密封比壓為69.03MPa，最小密封比壓為8.85MPa，密封面上下兩端密封比壓相對較小，但總體大于計算得到的必須密封比壓，校核得到閥體與閥板密封結(jié)構(gòu)設(shè)計符合密封要求。

4.2 壓力試驗(yàn)應(yīng)力分析

閥門殼體試驗(yàn)是對閥體和閥蓋聯(lián)結(jié)而成的整個外殼進(jìn)行的壓力試驗(yàn)，以確定閥體閥蓋的密封性與設(shè)計是否滿足材料強(qiáng)度要求。

在閥體兩端施加固定約束，閥體和閥蓋內(nèi)腔表面施加1.5倍工作壓力，即添加4.2MPa介質(zhì)壓力，模擬殼體壓力試驗(yàn)。由于閥體與閥蓋采用螺栓緊固，設(shè)置閥體與閥蓋的結(jié)合面為固定約束，在中法蘭上施加螺栓計算載荷102073N。閥體和閥蓋應(yīng)力分布云圖如圖8和圖9所示，應(yīng)力場都呈對稱分布，閥體的高應(yīng)力區(qū)位于中腔內(nèi)壁面處，最高等效應(yīng)力出現(xiàn)在加強(qiáng)筋處，為71.37MPa，這是由于所設(shè)計閥體中腔上大下小的結(jié)構(gòu)受壓變形造成的。閥蓋的最大應(yīng)力為24.18MPa，與閥體都遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料的屈服強(qiáng)度205MPa。

4.3 高溫工況閘閥應(yīng)力場分析

溫度場的引入，造成熱脹冷縮，可能會帶來局部應(yīng)力峰值的出現(xiàn)，引起結(jié)構(gòu)失效，因此有必要結(jié)合熱應(yīng)力，進(jìn)行實(shí)際工況下的總體應(yīng)力分析?？紤]到對于高溫閘閥的溫度作用會對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生明顯的影響，而結(jié)構(gòu)對于溫度的影響微乎其微，文中采用單向熱固耦合方法，使其滿足傳熱控制方程、固體控制方程以及耦合基本守恒原則來進(jìn)行求解。

仿真過程中在閥體兩端添加管段，模擬實(shí)際情況，同時避免高溫應(yīng)力奇異發(fā)生在閥體上。在耦合溫度場的同時在管閥系統(tǒng)內(nèi)壁面上添加2.8MPa內(nèi)壓力，閥體與閥蓋的結(jié)合面設(shè)置為固定約束，在中法蘭上施加425℃時的螺栓計算載荷153700N。通過求解得到閥體和閥蓋總應(yīng)力分布云圖，如圖10和圖11所示。由圖10得到閥體在高溫作用下的最大等效應(yīng)力為96.02MPa，此時閥體膨脹帶來的應(yīng)力主要集中于加強(qiáng)筋板上。圖11中閥蓋由于溫度梯度影響膨脹變形以及工作內(nèi)壓力作用下，最大應(yīng)力發(fā)生在閥蓋外表面結(jié)構(gòu)變化的圓角邊沿處，此時的最大等效應(yīng)力為61.09MPa。仿真結(jié)果表明在425℃時，閥體和閥蓋等效應(yīng)力值都小于該溫度下的最大許用應(yīng)力105MPa，因此所設(shè)計的閥門滿足高溫流體運(yùn)輸?shù)膹?qiáng)度需求。

5 結(jié)論

（1）通過有限元分析得到高溫閘閥的溫度分布云圖，溫度呈現(xiàn)由下而上逐漸減小，在散熱片所在的閥蓋頸部降溫明顯。當(dāng)前工況下填料的最高溫度為209.53℃，手輪溫度為41.85℃，滿足使用要求。

（2）密封試驗(yàn)仿真結(jié)果顯示閥體密封面上下兩端比壓相對較小，但整個圓周方向上總體密封比壓大于計算得到的必須密封比壓，滿足設(shè)計密封要求。

（3）殼體壓力試驗(yàn)仿真結(jié)果顯示，設(shè)計的NPS3-CL300高溫閘閥在4.2MPa介質(zhì)壓力作用下的做大等效應(yīng)力發(fā)生在閥體筋板上，為71.37MPa，遠(yuǎn)小于屈服強(qiáng)度205MPa，滿足出廠強(qiáng)度要求。

（4）根據(jù)熱固耦合結(jié)果，熱應(yīng)力的引入改變了閥體和閥蓋的應(yīng)力分布，但熱膨脹帶來的最大等效應(yīng)力仍處于加強(qiáng)筋板處，為96.02MPa，小于材料在該溫度下的許用應(yīng)力105MPa，表明NPS3-CL300在425℃工況下使用不會產(chǎn)生大的變形量，滿足高溫流體運(yùn)輸?shù)膹?qiáng)度要求。

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