高温蝶阀阀座温度分布和应力分析

喻九阳，郑 鹏，叶 萌，彭红宇

(武汉工程大学机电工程学院，湖北 武汉 430074)/

0 引 言

蝶阀[1]是用随阀杆转动的圆形蝶板作启闭件、往复回转90℃左右来开启、关闭和调节流体通道的一种阀门，广泛用于冶金、轻工、电力、石油化工系统的煤气管道及水道等，其优点在于：结构简单、体积小、重量轻、耗材省、启闭迅速以及流阻小.国内生产的阀门中，将工作温度t>450 ℃的蝶阀称为高温蝶阀[2].

某公司烟机入口的调节阀采用DN1200电液高温蝶阀，其中，阀体结构为两偏心形式，且阀体与管道采用焊接连接,其结构尺寸图如图1所示.高温蝶阀的操作温度为650 ℃，阀座和阀板的材质为0Cr18Ni9，保温层厚度为80～100 mm，保温材料为防水泡沫石棉.由于操作温度较高，若温度分布不均匀或沿壁厚温度梯度大， 蝶阀就会产生较大的热变形，导致局部伸缩而出现卡死的可能，从而影响生产的正常运行[3].为此，笔者利用ANSYS有限元分析软件对保温层厚度100 mm情况下的高温蝶阀阀座建立了较为精确的三维有限元模型，并进行了工作状态下热应力分析.

图1 阀座平面尺寸图Fig.1 The plane size chart of valve seat

1 几何模型

利用ANSYS分别建立蝶阀阀座和保温层的几何模型，考虑到两端支撑边界对蝶阀受力情况的影响，这里将两端模型向两端各延长600 mm.其中，各处保温层厚度为100 mm，整体几何模型如图2所示.

图2 整体几何模型Fig.2 The overall geometry model

2 有限单元模型

高温蝶阀阀座以及保温层之热分析采用SOLID70单元[4]，在对阀座以及保温材料采用SOLID70单元划分中，考虑到集合模型的复杂性，若直接采用粗糙四面体网格划分单元，会导致网格严重畸形，直接影响到分析结果的精度；若采用细化的四面体网格，单元数会急剧增加，显著延长计算时间或导致不能计算.为保证网格质量和分析结果的准确性，本文将整体分析模型细分为424个体积块，并依次进行网格划分，确保有限单元网格的光滑过渡，并不产生严重畸形单元.整体有限单元划分模型如图3所示，共24 372个SOLID70单元.

图3 整体有限元模型Fig.3 The whole finite element model

3 蝶阀热分析

3.1计算条件

蝶阀的操作温度为650 ℃，即将其内表面温度设置为650 ℃；保温层与大气层直接接触，并与空气发生对流换热，取保温层外表面的对流换热系数为20 W/(m2·K)，参考温度为25 ℃，另外，考虑到模型两端的连续性，端部设置为绝热条件；蝶阀阀座保温层的材料为防水泡沫石棉[5]，其导热系数为0.033～0.044 W/(m·K)，为保证计算的保守性，取值为0.044 W/(m·K).阀座材质为304不锈钢，不同温度下的导热系数[6]如图4所示，由图4可知，温度对材料导热系数影响很大，且随温度升高而增大.根据蝶阀平均温度为325 ℃时的导热系数进行计算，即在温度为598 K时304不锈钢的导热系数为18 W/(m·K).

图4 不同温度下304不锈钢的导热系数Fig.4 Thermal conductivity of 304 stainless steel under different temperature

3.2 分析结果

施加初始条件和边界条件后，整体分析模型的温度分布如图5所示，结果表明整体温度沿轴向基本均匀分布.整体模型温度沿厚度方向的分布如图6所示.

图5 整体温度分布Fig.5 The overall temperature distribution

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

图6中横坐标0为阀座筒体的内径处，横坐标50为阀座筒体的外径处(也为保温层筒体的内径)，而横坐标150为保温层筒体的外径处.计算结果表明，阀座筒体的温度沿厚度基本均匀分布，而保温层的温度沿厚度呈线性递减.

由图7可知，阀座筒体温度云图基本一致，而阀座圈处温度变化较大，且沿周向分布不均匀.具体来说，阀座筒体端部处温度沿厚度的分布情况如图8所示，结果表明阀座筒体整体上温度均匀，且沿壁厚温差仅为1 ℃左右； 阀座圈处温度沿厚度的分布情况如图9所示，结果表明阀座圈处沿厚度的温差较大，最大温差约为10 ℃，另外，阀座圈处筒体沿壁厚的温差也略有增加，温差约为2 ℃.

图7 阀座温度分布图Fig.7 The temperature distribution of valve seat

阀座保温层温度分布如图10(a)所示，结果表明保温层选100 mm是合适的，不仅阀座筒体温差非常小(低于1 ℃)，且保温层外表面温度较低.具体而言，保温层温度沿壁厚分布情况如图10(b)所示，结果表明温度沿保温层厚度基本呈线性分布.

图8 阀座筒体端部处温度沿厚度的分布Fig.8 Temperature distribution along thickness of the end of valve seat tube

图9 阀座圈处温度沿厚度的分布Fig.9 Temperature distribution along the thickness of valve seat ring

图10 保温层温度分布图Fig.10 The temperature distribution of insulation layer

4 蝶阀热应力分析

4.1 分析方法

ANSYS提供了三种热应力分析的方法[7]，分别为直接分析法、间接耦合法和直接耦合法.

上述热分析中采用SOLID70单元进行热分析，这里根据间接法进行热应力分析，采用ETCHG命令可将SOLID70单元转换成对应的SOLID45单元，并设置结构分析中的材料属性(包括热膨胀系数)以及前处理细节，如节点耦合、约束方程等，在读入热分析中的节点温度即可进行热应力求解.

4.2 材料属性及边界条件

根据蝶阀的操作条件，本文的初始条件及边界条件如下：

(1)材料属性

蝶阀的材质为304不锈钢，其弹性模量为1.95×105 MPa，泊松比为0.3，热膨胀系数为1.7×10-5℃.蝶阀保温层的材料为防水泡沫石棉，其刚度远小于304不锈钢，可不考虑保温层对热应力的影响.

(2)温度载荷

蝶阀的初始操作温度为650 ℃，保温层外表面与空气自然对流换热.稳态条件下，温度数据通过热分析计算得出，并保存在*.rth文件中，进行热分析时，通过GUI：Solution>Load Apply>Temperature>From Thermal Analysis命令，输入或选择热分析结果文件名*.rth，可将稳态热分析所得温度场加载到热应力分析模型.

(3)边界条件

在整体分析模型入口端的断面上施加固定边界，而另一端的断面保持为平面，即耦合轴向方向的位移.

4.3 计算结果

图11显示了蝶阀阀座不同方向上的位移，其中图11(a)为径向位移，结果表明阀座筒体径向位移均匀，阀座筒体内壁径向位移为6.6 mm左右；图11(b)为周向位移，结果表明蝶阀阀座的周向位移很小，可以忽略不计，这是因为阀座温度沿周向分布均匀；图11(c)为轴向位移，结果表明其轴向位移较大，最大值为16.72 mm.值得注意的是，蝶阀的轴向位移不仅与温度有关，还与其轴向边界条件有关.

图11 蝶阀阀座的位移Fig.11 The displacement of the valve seat

图12显示了蝶阀阀座的各种应力，其中12(a)为径向应力，12(b)为周向应力，12(c)为轴向应力，12(d)为等效应力.结果表明蝶阀阀座的各应力值较小，最大径向应力值为13.6 MPa，最大周向应力值为28.9 MPa，最大轴向应力值为15.2 MPa，最大等效应力值为27.7 MPa.值得注意的是，本文分析中将入口一侧取为固定支撑，而另一端自由支撑[8]，这样处理并不是实际工况，仅为平衡阀座的各向应力，而根据圣维南原理，该固定边界仅影响固定支撑附近的应力状态，而不影响远端的应力状态.因此，阀座出口端附近均匀的应力分布状态是真实的.

图12 蝶阀阀座的各种应力Fig.12 The stresses of butterfly valve seat

5 结 语

针对高温蝶阀在运行过程中存在热变形的问题，对阀座及其保温层的温度分布和应力状态进行了分析，结论如下：

(1)阀座保温层为100 mm时，阀座筒体整体上温度均匀，且沿壁厚温差仅为1 ℃左右；阀座圈处温度沿厚度的温差较大，最大温差约为10 ℃；阀座圈处的筒体沿壁厚的温差约为2 ℃；而保温层的温度沿厚度呈线性递减，不仅阀座筒体温差非常小，且保温层外表面温度较低，结果表明保温层选取100 mm是合适的.

(2)蝶阀在650 ℃操作条件下，阀座筒体径向位移均匀，内壁位移值为6.3 mm左右；周向位移很小，可以忽略不计；轴向位移较大，最大值为16.72 mm.

(3)，当保温层为100 mm时，产生的热应力很小，阀座筒体的所承受的等效应力较小，最大值仅为27.7 MPa，满足安全使用要求.

致 谢

在此特别感谢国家自然科学基金项目(50976080)以及武汉工程大学科学研究基金项目(14125061)给予的大力资助.

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