基于熱固耦合的金屬硬密封球閥密封特性分析

劉帥帥 何世權 李 力 韋彥強

（南京工業大學機械與動力工程學院）

金屬硬密封球閥是廣泛應用的一種球閥，在較高的介質壓力和工作溫度下可以保持工作的穩定性，并且在耐磨性、耐腐蝕性和密封性上具有一定的優勢［1］。閥門在較高的溫度和壓力下工作時，除了要承受介質壓力和彈簧預緊力的載荷作用外，還要承受高溫變形所產生的熱應力沖擊，經過多次啟閉后，閥座密封面極易發生泄漏，閥桿啟閉扭矩也會變大，甚至會出現球體卡死現象［2，3］。

金屬硬密封球閥通過金屬閥座與金屬球體硬接觸產生的塑性變形達到密封效果，閥座可在閥體嵌入槽中滑動，在球體受熱膨脹時閥座組件可以滑動［4］。密封失效是該閥門常見的失效形式［5］，跟閥座密封聯系最為緊密的就是密封比壓。目前，很多學者只考慮了在介質壓力和預緊力工況下，密封比壓的變化，而忽略了溫度所產生熱應力的影響。在此，筆者以Class900型金屬硬密封球閥為研究對象，通過有限元軟件ANSYS Workbench中的熱力學和靜力學模塊，對閥門在全開工況下的密封特性展開研究，從密封面寬度和壓力角兩方面分析其密封比壓的變化特點，進而對閥座的結構設計和優化提出完善方法。

1 閥門結構及工況參數

采用Solidworks軟件建立球閥的三維實體模型，球閥主要由閥體、閥蓋、閥座、閥桿、球體及底軸等部件組成。去除倒角、倒圓等特征以利于數值模擬的收斂。由于只研究閥座與球體接觸部位的密封面，故將閥門模型進行簡化，只分析一半模型（圖1），即只保留兩端閥座、球體、閥體和閥蓋的模型。

圖1 簡化的球閥三維實體模型

球閥密封結構參數如下：

公稱直徑 202mm

壓力等級 Class900

適用溫度 -29～425℃

結構形式 固定式

密封面內徑D1216mm

密封面外徑D2228mm

球體半徑R 162mm

壓力角α 44.5°

2 密封比壓及彈簧預緊力計算

2.1 密封比壓

合適的密封比壓能夠保證閥門的安全工作和高效運行，若比壓分布不合理會導致泄漏失效［6］。密封必需比壓qb是為了滿足密封在密封單位面積上所需的最小壓力，其計算式為［7］：

式中 bm——密封面寬度，mm；

m——與流體性質相關的系數（常溫水m=1.0，高溫氣體、液體m=1.4）；

p——介質壓力，MPa。

取m=1.4、p=15MPa、bm=6mm，計算得到所需密封必需比壓qb=33.4MPa。

密封單位面積上所能承受的最大壓力為許用比壓。球體和閥座材料均為F304，由《球閥設計與選用》可查，該材料的密封面許用比壓［q］=150MPa［7］。密封比壓既要大于密封必需比壓，又要小于許用比壓［8］，即qb

2.2 彈簧預緊力

球閥在工作狀態下，除了受溫度熱應力和介質壓力的作用外，還受到彈簧預緊力的作用，其中彈簧預緊力Q可按下式計算：

式中 qmin——預緊所必需的最小比壓，取2MPa。

代入相關數值，計算得到彈簧預緊力Q=8365N。

3 模型邊界條件

3.1 溫度場條件設置

在Steady-State Thermal模塊中對簡化模型進行網格劃分，閥座通過sweep掃掠方式控制網格精度。設置閥座與球體的接觸方式為摩擦接觸，摩擦系數為0.2，使用高階拉格朗日公式和高斯點探測方法。根據表1［9］選取介質工作溫度200℃、壓力13.0MPa，閥體外表面溫度設為環境溫度，進行溫度場分析，得到的溫度場分布云圖如圖2所示。

圖2 球閥溫度場分布云圖

表1 Class900壓力-溫度等級表

3.2 熱固耦合場條件設置

在Static Structural模塊中設置材料屬性，閥體和閥蓋材料為WCB，閥座和球體材料為F304，分別賦予密度、彈性模量和泊松比。閥座與球體接觸設置與上述相同，其余默認為綁定接觸。邊界條件設置如圖3所示，閥體兩端為固定約束，球體上下與閥桿連接部位設置Remote Displacement約束，限制y軸方向的移動，由于閥座在彈簧預緊力和介質壓力作用下能前后移動，具有補償作用，所以定義閥座為Cylindrical Support約束，沿x軸方向自由移動。閥座兩端各施加預緊力4 182N，內部介質壓力為13.0MPa并作用于內壁，將得到的溫度場結果導入，以便進行熱固耦合場的模擬分析。

圖3 邊界條件設置

4 密封比壓的影響因素

4.1 密封面寬度

加大密封面寬度可以減少閥門中的磨損，但密封面寬度過大又會增加泄漏的風險。因此，為了研究閥座密封面寬度對密封比壓的影響，在保持原始壓力角44.5°不變的基礎上，分別取5組密封面寬度數據進行模擬，得到了不同密封面寬度對應的密封比壓值（表2）。由表2可以看出，隨著密封面寬度的增加，密封比壓逐漸減小，當密封面寬度大于8mm以后，密封比壓降低得不再明顯。密封比壓過大會導致球體與閥座摩擦力增大，所以密封比壓只需大于密封必需比壓33.4MPa即可滿足使用要求，所以取密封面寬度8mm最為合適。

表2 不同密封面寬度下的密封比壓

4.2 壓力角

選定密封面寬度為8mm，進一步改變壓力角的大小，取6組壓力角數據進行模擬，得到不同壓力角對應的密封比壓值（表3）。由表3可以看出，隨著壓力角的增大，密封比壓逐漸增大，且增大的幅度越來越明顯。然而，過大的比壓會增大球體與閥座的摩擦轉矩和閥桿的啟閉轉矩，所以應在滿足較小轉矩的基礎上選取較大的壓力角，故選取壓力角為45.29°。

表3 不同壓力角下的密封比壓

5 結束語

筆者基于ANSYSWorkbench對金屬硬密封球閥閥座與球體接觸部位進行了熱固耦合分析，研究其密封特性，通過改變密封面寬度和壓力角的大小來研究密封比壓的變化規律，發現密封面寬度與密封比壓成負相關，壓力角與密封比壓成正相關。因此，應在滿足必需比壓和較小操作轉矩的情況下選擇較大的密封面寬度和壓力角。