基于熱固耦合的高溫閘閥密封與強度分析

陳宗杰 張孫力

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

關鍵詞：高溫閘閥;溫度場;應力場;強度

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，Fuzhou 350008， Fujian ， China）

（2 National Quality Inspection and Testing Center of Valve Products （Fujian），Quangang 362800，Fujian， 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，沿密封面做直線運動的閥門，由于其具有流體阻力小、啟閉阻力小、介質流動方向不受限制、結構長度較短、密封性能好等特點[1]，廣泛應用于精煉廠、化工廠、電站和工業企業生產設備中。隨著現代設備的發展，閘閥的應用范圍不斷擴大，開始向高溫高壓方向發展。制造高溫高壓閘閥的關鍵，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]，同時保證實際使用中的應力分布滿足材料性能要求。

目前研究者們已經對閘閥進行了大量研究，楊偉東[3]等對電動高溫閘閥溫度場進行了數值模擬研究，并通過優化筋板結構減小了熱應變。柳雄[4]等對電動閘閥進行了流固耦合分析，并進行輕量化設計有效降低了產品質量。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，并對閥座外徑進行優化，有效降低等效應力。趙英博[6]等在高溫鍛鋼閘閥熱固耦合分析的結果基礎上，對所研究閥門進行應力評定，得到所設計閥門滿足使用要求。劉惺[7]等采用動網格技術對閘閥進行了瞬態開啟的流場研究。Liu等[8]運用流體仿真軟件對閘閥的流動特性進行了分析，并提出了合理的流道結構改進方法。Luo 等[9]基于Abaqus仿真得到的應力分布特性對閥體進行了輕量化設計。可見閘閥使用的可靠性和經濟性是現階段閘閥設計研究的主要方向。

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

2高溫閘閥結構與材料

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。建立相應三維閥門結構模型，并進行網格劃分，對所研究的散熱片、填料以及密封面進行網格細化。結構簡圖與網格劃分如圖1所示，網格數量為66797，節點數為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 數學模型

高溫閘閥的穩態熱分析主要涉及閥門零部件之間的熱傳導和閥門與外部空氣的對流換熱。熱傳導主要是指熱量從閥體內壁面向閥體低溫部分與閥門低溫零部件傳遞的過程。熱傳導的數學表達式為[10]：

（1）

式中：為熱流量，W;為導熱系數，

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的熱量轉移過程，與閥門散熱面的幾何形狀和放置位置直接相關。熱對流的基本計算式為：

（2）

式中：為熱對流系數，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 仿真結果及分析

研究的高溫閘閥的工作溫度為425℃。在閥門內部與流體接觸表面添加工作溫度，設置環境溫度為22℃，對流換熱系數為12.5W/m2·K。

通過穩態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℃，沿著內壁面溫度向外部逐漸降低，最低溫度396℃出現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中散熱片由內到外，由下到上溫度變化明顯，最大溫差達到了123.51℃。從圖6得到所研究高溫閘閥結構在工作情況下的下部填料最高溫度為209.53℃。計算結果表明設計閥門在使用中的填料和手輪溫度符合實際使用要求，散熱片散熱效果顯著。

4 高溫閘閥應力場計算

4.1 密封比壓計算與分析

本次設計的高溫閘閥在實際工況使用中的密封比壓必須要大于設計的密封必須比壓，小于密封許用比壓，才能達到密封效果，防止泄漏發生。當密封材料為硬質合金時，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。

設計閥門的密封面寬度為4.5mm，公稱壓力為5MPa，得到結果為12.67MPa。

密封試驗是檢驗閥門密封副密封性能的試驗，仿真分析中采用工作壓力的1.1倍壓力，既在密封結構前的閘板和閥體內腔面添加3.08MPa的壓力，并在閥體進口端施加固定約束來模擬流體沖擊閘板的密封試驗過程，檢驗密封效果。閥座與閥體的接觸面采用摩擦約束，約束系數設置為0.1，仿真結果如圖7所示。由圖7得到閥門關閉時，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構設計符合密封要求。

4.2 壓力試驗應力分析

閥門殼體試驗是對閥體和閥蓋聯結而成的整個外殼進行的壓力試驗，以確定閥體閥蓋的密封性與設計是否滿足材料強度要求。

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

4.3 高溫工況閘閥應力場分析

溫度場的引入，造成熱脹冷縮，可能會帶來局部應力峰值的出現，引起結構失效，因此有必要結合熱應力，進行實際工況下的總體應力分析。考慮到對于高溫閘閥的溫度作用會對結構產生明顯的影響，而結構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行求解。

仿真過程中在閥體兩端添加管段，模擬實際情況，同時避免高溫應力奇異發生在閥體上。在耦合溫度場的同時在管閥系統內壁面上添加2.8MPa內壓力，閥體與閥蓋的結合面設置為固定約束，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力為96.02MPa，此時閥體膨脹帶來的應力主要集中于加強筋板上。圖11中閥蓋由于溫度梯度影響膨脹變形以及工作內壓力作用下，最大應力發生在閥蓋外表面結構變化的圓角邊沿處，此時的最大等效應力為61.09MPa。仿真結果表明在425℃時，閥體和閥蓋等效應力值都小于該溫度下的最大許用應力105MPa，因此所設計的閥門滿足高溫流體運輸的強度需求。

5 結論

（1）通過有限元分析得到高溫閘閥的溫度分布云圖，溫度呈現由下而上逐漸減小，在散熱片所在的閥蓋頸部降溫明顯。當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）密封試驗仿真結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，滿足設計密封要求。

（3）殼體壓力試驗仿真結果顯示，設計的NPS3-CL300高溫閘閥在4.2MPa介質壓力作用下的做大等效應力發生在閥體筋板上，為71.37MPa，遠小于屈服強度205MPa，滿足出廠強度要求。

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

參考文獻

[1]張漢林，張清雙，胡遠銀.閥門手冊：使用與維修[M].?化學工業出版社，2013：77.

[2]張清雙，尹玉杰，明賜東.閥門手冊-選型[M].?化學工業出版社，2013.

[3]楊偉東，張躍強，張早校.電動高溫閘閥閥體熱特性分析與優化設計[J].化工機械，2016，043（003）：324-328.

[4]柳雄，趙剛，張娜，黃馨，羅小龍.基于流固耦合與DOE的電動閘閥輕量化設計[J].組合機床與自動化加工技術，2020（10）：40-43.

[5]劉惺，何慶中，趙獻丹，王佳，廖伯權.基于流固耦合楔形雙閘板閘閥閥座失效分析與結構優化[J].液壓與氣動，2020（01）：153-158.

[6]趙英博，張強升，陳天敏.高溫鍛鋼閘閥的溫度場計算和熱固耦合分析[J].發電技術，2019，40（02）：181-186.

[7]劉惺，何慶中，王佳，趙獻丹，廖伯權.基于動網格技術楔形雙閘板閘閥開啟特性分析[J].科學技術與工程，2019，19（26）：215-219.

[8]Peng Liu，Yonghong Liu，Zhiqian Huang，et al.Design opti-mization for subsea gate valve?based on combined analyses of fluid characteristics?and sensitivity[J].Journal of Petroleum Science?and Engineering，2019，182：1-13.

[9]Luo X L ，Zhu J B .Valve Body Stress Analysis and?Structure Optimization of High Pressure Gate?Valves[J].Chemical Engineering Machinery，2018，45（5）：633-635.

[10]胡湘洪，高軍，李勁.可靠性試驗[M].電子工業出版社， 2013：30-31.

[11]陸培文.實用閥門設計手冊[M].機械工業出版社，?2002：740-741.