高溫鍛鋼閘閥的溫度場計(jì)算和熱固耦合分析

趙英博，張強(qiáng)升，陳天敏

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高溫鍛鋼閘閥的溫度場計(jì)算和熱固耦合分析

趙英博1，張強(qiáng)升2，陳天敏3

（1．中國華電集團(tuán)有限公司 北京市 西城區(qū) 100031；2．生態(tài)環(huán)境部核與輻射安全中心， 北京市 海淀區(qū) 100082；3．蘇州紐威閥門股份有限公司，江蘇省 蘇州市 215129）

針對高溫鍛鋼閘閥的設(shè)計(jì)要求，基于美國機(jī)械工程師協(xié)會(huì)(American Society of Mechanical Engineers，ASME)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和有限元分析方法，研究閘閥的虛擬性能評(píng)估技術(shù)。為了保證閘閥在高溫條件下安全可靠運(yùn)行，提出一種應(yīng)用有限元軟件Ansys計(jì)算高溫鍛鋼閘閥溫度場和應(yīng)力場的方法。首先對高溫鍛鋼閘閥的溫度場和總應(yīng)力場進(jìn)行定量計(jì)算及分析，然后完成應(yīng)力評(píng)定并對結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)。結(jié)果表明：該閘閥的閥蓋圓筒高度足夠，散熱板設(shè)計(jì)面積合理，承壓邊界部件能夠滿足強(qiáng)度要求，具有良好的工程實(shí)用價(jià)值。

閘閥；溫度場；熱固耦合分析；有限元分析方法；應(yīng)力場

0 引言

閘閥廣泛應(yīng)用在冶金、電力、煉油、石化、天然氣等管路上，起到截?cái)嗷蚪油ü苈分薪橘|(zhì)的作用。由于環(huán)境條件和系統(tǒng)運(yùn)行工況的特殊性，常見的石化用閘閥具有閥座磨損均勻、操作力矩小、易維護(hù)等特點(diǎn)。

某石化項(xiàng)目高溫鍛鋼閘閥的工作溫度高達(dá)816℃，為了保證閘閥在高溫條件下安全可靠運(yùn)行，設(shè)計(jì)過程必須同時(shí)考慮傳熱學(xué)和機(jī)械強(qiáng)度的要求。依據(jù)傳熱學(xué)設(shè)計(jì)要求，在高溫工作狀態(tài)下，閘閥填料函底部和手輪處的溫度不能過高，必須控制在允許范圍內(nèi)；除了保證高溫閘閥能夠承受機(jī)械載荷引起的應(yīng)力外，還要考慮熱效應(yīng)引起的熱應(yīng)力，避免閘閥疲勞強(qiáng)度不足或出現(xiàn)熱疲勞而影響可靠性[1]。

因此，閘閥研發(fā)過程中，準(zhǔn)確計(jì)算熱載荷及其效應(yīng)，合理預(yù)測閘閥在高溫工況下的結(jié)構(gòu)性能成為設(shè)計(jì)關(guān)鍵。由于傳統(tǒng)公式法設(shè)計(jì)的局限性，采用常規(guī)設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的高溫閘閥經(jīng)常出現(xiàn)設(shè)計(jì)隱患。有限元法是求解溫度場和應(yīng)力場的有效方法，這種不通過試驗(yàn)或通過較少試驗(yàn)來進(jìn)行虛擬產(chǎn)品設(shè)計(jì)和仿真的方法，不僅能減少產(chǎn)品開發(fā)周期，而且還可以降低開發(fā)成本[2]。

本文利用有限元軟件Ansys模擬閘閥的實(shí)際工況，對高溫鍛鋼閘閥的溫度場和總應(yīng)力場進(jìn)行定量計(jì)算及分析，對結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)，達(dá)到指導(dǎo)閘閥關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)的目的。

1 高溫鍛鋼閘閥結(jié)構(gòu)及要求

高溫鍛鋼閘閥總高度為470mm，進(jìn)出口公稱通徑均為80mm，最高工作壓力14.6MPa，最高工作溫度為816℃，常溫工況和高溫工況下的工作壓力和手輪扭矩?cái)?shù)據(jù)見表1。利用三維建模軟件Solidworks建立閘閥的三維實(shí)體模型，包括閥體、加長圓筒閥蓋(包括散熱板)、支架、手輪、閥座、閥桿、連接螺栓、填料組件以及必要的內(nèi)部件，并在軟件中裝配成為整體閘閥模型。為了避免應(yīng)力集中，閥體和閥蓋內(nèi)腔在設(shè)計(jì)和建模時(shí)盡量避免尖角，保證應(yīng)力分布均勻。高溫鍛鋼閘閥的三維幾何實(shí)體模型如圖1所示。

表1 各工況下工作壓力和手輪扭矩

圖1 閘閥三維幾何實(shí)體模型圖

2 評(píng)定要求與驗(yàn)收準(zhǔn)則

閘閥作為承壓設(shè)備，按照壓力容器分析設(shè)計(jì)方法進(jìn)行應(yīng)力分析與評(píng)定。具體的應(yīng)力評(píng)定準(zhǔn)則見表2[3-4]。

表2中，P為局部一次薄膜應(yīng)力，P為一次彎曲應(yīng)力，為二次應(yīng)力，為最大許用應(yīng)力。閥體和閥蓋材料均為F304H，常溫下材料的屈服強(qiáng)度為205MPa，許用應(yīng)力=138MPa，816℃下閥體和閥蓋材料的許用應(yīng)力=8.7MPa，700℃下的許用應(yīng)力=26MPa。

表2 應(yīng)力評(píng)定準(zhǔn)則表

設(shè)計(jì)要求閘閥填料函底部和手輪外圓溫度不能太高，閘閥填料函底部溫度不超300℃，手輪外圓溫度不超100℃。填料函溫度過高會(huì)影響閥門的密封性，手輪外圓溫度過高會(huì)影響操作性。

3 高溫工況下閘閥溫度場計(jì)算

3.1 邊界條件和載荷

通過Ansys中的熱分析功能完成閘閥的溫度場計(jì)算。Ansys熱分析分為穩(wěn)態(tài)熱分析和瞬態(tài)熱分析，穩(wěn)態(tài)傳熱是指系統(tǒng)的溫度不隨時(shí)間變化，瞬態(tài)傳熱是指系統(tǒng)的溫度隨時(shí)間明顯變化[5]。

本文采用穩(wěn)態(tài)熱分析方法，考慮閘閥各部件材料的導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容和熱膨脹系數(shù)隨溫度變化的特性，對閘閥在高溫工況下的穩(wěn)態(tài)溫度場進(jìn)行計(jì)算[2]，主要目的是考察填料函底部和手輪外圓處的最大溫度值，承壓部件在工作過程中內(nèi)外壁的溫差以及其他關(guān)鍵部件溫度場的分布情況。在有限元分析時(shí)，首要步驟是建立閥門的有限元模型，網(wǎng)格模型應(yīng)能較真實(shí)地模擬結(jié)構(gòu)的幾何形狀和物理特性，以提高計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性[6]。為了控制計(jì)算規(guī)模，提高運(yùn)算速度，溫度場穩(wěn)態(tài)熱分析采用對稱模型。溫度場計(jì)算需考慮熱量傳遞的3種方式，即對流換熱、熱傳導(dǎo)和輻射換熱[7]，因此，Ansys穩(wěn)態(tài)熱分析中初始邊界條件包括工作溫度、對流傳熱系數(shù)和輻射率的施加[8]。閘閥的初始邊界條件設(shè)置中，假定其外表面初始溫度為實(shí)際環(huán)境溫度，閘閥內(nèi)部流道充滿高溫介質(zhì)，與高溫介質(zhì)接觸的閥體內(nèi)腔及其他內(nèi)部件表面上施加816℃的工作溫度，環(huán)境溫度和閘閥初始溫度均取20℃[9]。鋼材導(dǎo)熱系數(shù)為48W/(m·K)，閥門處于空氣中，空氣對流系數(shù)為12.5W/(m2·K)。由于無法獲得材料的輻射率參數(shù)，同時(shí)鑒于在工作溫度大于500℃時(shí)，熱幅射與熱傳導(dǎo)和對流換熱方式相比對傳熱結(jié)果影響較小，因此在計(jì)算時(shí)不考慮閘閥外壁對環(huán)境的輻射散熱[10]。

3.2 計(jì)算結(jié)果及分析

ANSYS穩(wěn)態(tài)熱分析獲得隨時(shí)間變化的閘閥整體溫度場結(jié)果文件，除了可以考察閘閥的溫度分布情況外，還作為后續(xù)熱應(yīng)力計(jì)算的熱載荷輸入條件。閘閥在高溫工況下，各部件通過熱傳導(dǎo)和對流換熱方式進(jìn)行傳熱，傳熱達(dá)到穩(wěn)定后，整個(gè)閘閥的溫度場分布云圖如圖2所示，閘閥的溫度由閥體垂直向上到手輪呈逐級(jí)降低趨勢，對應(yīng)的溫度值從816℃到74.5℃。

圖2 閘閥整體溫度場分布云圖

圖3—6分別為填料組、手輪、閥體和閥蓋部件的溫度場分布云圖。由圖3可見，從底部到上部，填料組的溫度分布存在一定梯度，但溫差不大，最大溫度值為284℃，位于填料函底部，最小溫度值為237℃，位于填料函頂部，能夠滿足密封性要求；由圖4可見，手輪外圓處最低溫度為74.5℃，最高溫度為80℃，能夠滿足操作條件；由圖5可見，閥體最小溫度為809℃，與內(nèi)腔溫度816℃相比，閥體的外表面與內(nèi)腔表面沿壁厚方向的最大溫差僅為7℃，溫度分布較為均勻；由圖6可見，由于閥蓋加長圓筒上布置有散熱板，使得閥蓋的溫度從加長接管底部的816℃有效降低為頂部的340℃。

圖3 填料組溫度場分布云圖

圖4 手輪溫度場云圖

圖5 閥體溫度場云圖

通過對高溫工況下鍛鋼閘閥的溫度場計(jì)算，得出填料函底部最高溫度為284℃，手輪外圓最高溫度為80℃，計(jì)算結(jié)果表明填料函底部和手輪處的溫度均在允許范圍內(nèi)。

圖6 閥蓋溫度場云圖

4 常溫工況下閘閥應(yīng)力場計(jì)算

4.1 邊界條件和載荷

邊界條件施加中，如果直接在閘閥閥體進(jìn)出口端面施加全約束，則會(huì)在閥體兩端面及其附近產(chǎn)生高達(dá)幾千兆帕的熱應(yīng)力，這與實(shí)際情況不符[11]。因?yàn)?，?shí)際安裝和運(yùn)行條件下，閘閥進(jìn)出口端外接長管道，高溫引起的熱膨脹會(huì)得到一定程度的釋放，不會(huì)產(chǎn)生巨大的應(yīng)力奇異。為了真實(shí)模擬實(shí)際情況，分別在閥體進(jìn)出口端面加一段管道，閥門進(jìn)出口公稱通徑80mm，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，管道長度一般為管徑的5倍以上，即計(jì)算時(shí)選擇的管道長度為400mm，然后在管道兩端面施加固定約束作為位移邊界條件。

常溫工況下閘閥應(yīng)力場計(jì)算考慮介質(zhì)壓力、手輪扭矩和螺栓預(yù)緊力。與介質(zhì)接觸的閥體內(nèi)腔及其他內(nèi)部件表面上施加14.6MPa的設(shè)計(jì)壓力，手輪處施加23.2N·m的扭矩，計(jì)算閘閥在常溫工況下的應(yīng)力場，然后對閥體和閥蓋的強(qiáng)度進(jìn)行 校核。

4.2 計(jì)算結(jié)果及分析

常溫工況下閘閥的等效應(yīng)力場分布云圖如圖7所示，閥體與閥蓋存在較大應(yīng)力區(qū)域，最大等效應(yīng)力為139MPa，其他部件的應(yīng)力較小。

閥體和閥蓋的等效應(yīng)力分布云圖分別如圖8和圖9所示。閥體大部分區(qū)域的應(yīng)力較小，遠(yuǎn)小于所要求的應(yīng)力限值，在進(jìn)出口與閥體的相貫處，由于此處幾何形狀突變，出現(xiàn)最大應(yīng)力值139MPa，小于常溫下材料屈服強(qiáng)度205MPa。閥蓋的最大應(yīng)力為71MPa，小于材料屈服強(qiáng)度205MPa。

圖7 閘閥等效應(yīng)力分布云圖

圖8 閥體等效應(yīng)力分布云圖

圖9 閥蓋等效應(yīng)力分布云圖

常溫工況下閘閥的閥體和閥蓋應(yīng)力評(píng)定見表3，應(yīng)力評(píng)定結(jié)果滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

表3 閥體和閥蓋應(yīng)力評(píng)定

上述常溫工況下應(yīng)力計(jì)算結(jié)果表明，閘閥各部件不會(huì)發(fā)生塑性變形。對高溫閘閥來說，由熱效應(yīng)引起的熱應(yīng)力會(huì)使部件局部區(qū)域出現(xiàn)應(yīng)力集中，造成局部失效，出現(xiàn)疲勞裂紋，僅計(jì)算常溫應(yīng)力是不夠的，需要考慮熱沖擊或熱循環(huán)。提高閥門熱應(yīng)力場計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性對于閥門的疲勞壽命估算具有重要意義[12]。因此，有必要對高溫閘閥進(jìn)行熱固耦合計(jì)算，評(píng)價(jià)其設(shè)計(jì)的合理性。

5 高溫工況下閘閥熱固耦合應(yīng)力場計(jì)算

由于穩(wěn)態(tài)熱分析得到的溫度場對結(jié)構(gòu)分析中應(yīng)變和應(yīng)力有顯著影響，而結(jié)構(gòu)響應(yīng)對熱分析結(jié)果不會(huì)造成很大影響，因此閘閥熱固耦合計(jì)算涉及的熱-應(yīng)力分析屬于間接耦合。鑒于熱-應(yīng)力分析只涉及溫度場和應(yīng)力場之間的連續(xù)作用，本文使用手工順序耦合的方法完成[13]。閘閥總應(yīng)力場計(jì)算采用和前面穩(wěn)態(tài)熱分析相同的模型，考慮工作壓力和手輪扭矩，以及溫度梯度引起的熱應(yīng)力，計(jì)算閘閥承壓部件受到溫度載荷和機(jī)械載荷共同作用時(shí)的總應(yīng)力[14]。

5.1 邊界條件和載荷

邊界條件設(shè)置中，將上述穩(wěn)態(tài)熱分析得到的溫度場計(jì)算結(jié)果在結(jié)構(gòu)有限元模型中進(jìn)行單元插值，作為體載荷邊界條件施加在整個(gè)模型上；與介質(zhì)接觸的閘閥內(nèi)腔表面施加工作壓力0.72MPa，閥桿上施加扭矩11.2N·m；位移邊界條件的施加與常溫工況下應(yīng)力計(jì)算的施加方式相同，即通過在閥體進(jìn)出口端面加一段管道，然后在管道兩端面施加固定約束位移邊界條件。

5.2 計(jì)算結(jié)果及應(yīng)力評(píng)定

按照上述邊界條件和初始條件，通過有限元數(shù)值模擬計(jì)算得到圖10所示的由熱應(yīng)力和結(jié)構(gòu)應(yīng)力組成的閘閥總應(yīng)力場。

圖10 閘閥總應(yīng)力場等效應(yīng)力分布云圖

對于閥門，強(qiáng)度分析是閥門壓力邊界完整性的重要保證，也是安全評(píng)定的必要環(huán)節(jié)[15]。圖11為閥體由溫度效應(yīng)引起的熱應(yīng)力和內(nèi)壓引起的結(jié)構(gòu)應(yīng)力組成的總應(yīng)力云圖，最大等效應(yīng)力為23MPa，這是由于部件之間接觸引起的局部應(yīng)力，屬于二次應(yīng)力。由前面溫度場計(jì)算可知，閥體內(nèi)外表面的溫差較小，因此引起的熱應(yīng)力較小，從圖11也可以看出，除少許應(yīng)力集中點(diǎn)外，閥體大部分區(qū)域的應(yīng)力小于10MPa，其薄膜應(yīng)力小于1.5，因此不會(huì)引起閥體的整體塑性變形。對于應(yīng)力集中點(diǎn)，應(yīng)力值也均小于3，不會(huì)引起疲勞破壞。

圖11 閥體總應(yīng)力場等效應(yīng)力分布云圖

圖12 閥蓋總應(yīng)力場等效應(yīng)力分布云圖

圖12為加長圓筒閥蓋的總應(yīng)力場等效應(yīng)力分布云圖。由前面溫度場計(jì)算可知，閥蓋沿垂直方向存在較大的溫度梯度，故產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力。最大應(yīng)力發(fā)生在階梯處，高達(dá)252MPa，建議此處圓角過渡或圓弧過渡。

為了使閥蓋滿足強(qiáng)度要求，需要對結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)降低熱應(yīng)力。

6 結(jié)論

1）建立高溫鍛鋼閘閥三維實(shí)體模型，考慮實(shí)際工況下的傳熱特性并設(shè)置溫度場邊界條件，利用Ansys穩(wěn)態(tài)熱分析功能計(jì)算閘閥的溫度場，獲得其傳熱規(guī)律和溫度場分布情況，求結(jié)果表明閥蓋圓筒高度足夠，散熱板設(shè)計(jì)面積合理，使得填料函組底部和手輪處的溫度在允許溫度之內(nèi)。

2）采用同一網(wǎng)格模型，利用已求得的溫度場結(jié)果，考慮工作壓力、手輪扭矩和螺栓預(yù)緊力，以及溫度梯度引起的熱應(yīng)力，計(jì)算閘閥承受溫度載荷和機(jī)械載荷共同作用時(shí)的總應(yīng)力。對承壓部件進(jìn)行應(yīng)力評(píng)定，結(jié)果表明閥體能防止彈性失效和局部失效，滿足設(shè)計(jì)要求；閥蓋存在局部熱應(yīng)力較大區(qū)域，會(huì)發(fā)生局部塑性變形。由溫度場結(jié)果可知，加長圓筒內(nèi)外壁表面溫差很小，不是引起較大熱應(yīng)力的原因，通過改變壁厚難以減小熱應(yīng)力。主要原因是筒體方向存在較大的溫度梯度，因此，需要改變筒體方向的結(jié)構(gòu)。

3）在設(shè)計(jì)階段通過有限元方法獲得閘閥整體溫度和應(yīng)力分布，為閘閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及改進(jìn)提供精確數(shù)據(jù)和理論依據(jù)，同時(shí)減少了后續(xù)樣機(jī)試制和試驗(yàn)的成本，縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期。

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The Temperature Field Calculation and Thermo-Solid Coupling Evaluation for the High Temperature Forging Steel Gate Valve

ZHAO Yingbo1, ZHANG Qiangsheng2, CHEN Tianmin3

(1. China Huadian Corporation Ltd., Xicheng District, Beijing 100031, China; 2. Nuclear and Radiation Safety Center, Haidian District, Beijing 100082, China; 3. NEWAY Valve (Suzhou) Co., Ltd., Suzhou 215129, Jiangsu Province, China)

A performance evaluation technology was studied for the performance evaluation of high temperature forging steel gate valve based on the American Society of Mechanical Engineers (ASME) code and finite element analysis method．In order to ensure the safe and reliable operation of the gate valve under high temperature conditions, a method of evaluating the temperature field and stress field for the high temperature forging steel gate valve by finite element software Ansys was introduced. The temperature field and total stress field of the valve was calculated，so as to perform the stress evaluation and estimate the structural performance.The results show that the height of the bonnet cylinder is sufficient, the design area of the heat sink is reasonable, and the pressure-bearing boundary components can meet the strength requirements，which would have good prospects in engineering apparitions.

gate valve; temperature field; thermo-solid coupling evaluation; finite element analysis method; stress field

10.12096/j.2096-4528.pgt.18196

2018-10-12。

張強(qiáng)升(1987)，男，碩士，高級(jí)工程師，主要從事核電廠核級(jí)設(shè)備安全審評(píng)方面的工作，zhangqiangsheng87@163.com。

張強(qiáng)升

(責(zé)任編輯 楊陽)