高爐煤氣調(diào)壓閥組閥體有限元分析

于占忠

（首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司，河北唐山 063200）

0 引言

高爐煤氣調(diào)壓閥組是在TRT（Blast Furnace Top Gas Recovery Turbine Unit，高爐煤氣余壓發(fā)電裝置）檢修時(shí)控制高爐爐頂壓力，確保高爐在穩(wěn)定壓力下正常生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備。

1 高爐煤氣調(diào)壓閥組原理

1.1 調(diào)壓閥組設(shè)備概況

首鋼京唐公司高爐煤氣調(diào)壓閥組由4個調(diào)節(jié)閥組成，見圖1。其中3個調(diào)節(jié)閥為DN1000、1個自動調(diào)節(jié)閥為DN700，閥門采用三偏心彈性金屬硬密封型式。調(diào)壓閥組閥門的驅(qū)動方式為液壓驅(qū)動，調(diào)壓閥組工作時(shí)，油泵與蓄能器共同工作；TRT工作時(shí)，油泵停轉(zhuǎn)，蓄能器參與備用狀態(tài)（蓄能器壓力低時(shí)，啟動油泵補(bǔ)壓至額定壓力），待TRT故障時(shí)，1 s打開快開閥，迅速啟動主油泵，自動轉(zhuǎn)入液壓站工作。

圖1 高爐調(diào)壓閥組工藝流程

1.2 調(diào)壓原理

TRT機(jī)組控制高爐頂壓時(shí)，調(diào)壓閥組閥門全部關(guān)閉。當(dāng)TRT停止運(yùn)行時(shí)，調(diào)壓閥組投入使用控制高爐頂壓，操作方式為手、自動兩種，就地有閥位顯示及現(xiàn)場操作裝置，控制室有連續(xù)閥位顯示、連續(xù)調(diào)節(jié)、閥位高低開度（10%、70%）報(bào)警功能，進(jìn)入高爐爐頂計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。DN700閥門為自動調(diào)節(jié)閥，3個DN1000閥門之一作為量程閥（3個蝶閥的功能可互換）。當(dāng)自動閥閥位開啟到70%時(shí)，量程閥打開，直到自動閥位開度回到60%時(shí)停止；當(dāng)自動閥閥位開度在（20～30）%時(shí)，量程閥開始關(guān)閉，直到自動閥恢復(fù)到最低線性角度范圍內(nèi)，若自動閥不能恢復(fù)到最低線性角度范圍，則量程閥全部關(guān)閉。

2 SolidWorks Simulation（三維實(shí)體造型設(shè)計(jì)仿真軟件）簡介

有限元法的基本思路是把1個原來是連續(xù)的物體剖分成有限個單元，他們相互連接在有限個節(jié)點(diǎn)上，承受等效的節(jié)點(diǎn)載荷。無論什么類型的有限元分析，基本的求解步驟相同，不同的只是推導(dǎo)公式或運(yùn)算過程的差別。有限元法是將連續(xù)體離散化，通過對有限個單元作分片插值求解各種力學(xué)、物理問題的一種數(shù)值方法[1-4]。Simulation是SolidWorks公司開發(fā)的功能強(qiáng)大的有限元分析工具軟件，基本思路是構(gòu)建零件的幾何模型，將該幾何模型劃分為適度小的有限單元。利用SolidWorks進(jìn)行零件實(shí)體建模，使用SolidWorks Simulation對幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，建立有限元計(jì)算模型后，求解器得到作序數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)果分析。高爐生產(chǎn)過程中調(diào)壓閥組中調(diào)節(jié)閥開啟角度較小，煤氣流經(jīng)調(diào)壓閥組時(shí)，形成射流。這種射流引發(fā)下游管道氣流的強(qiáng)烈擾動，形成強(qiáng)度不同的渦流，每個渦流產(chǎn)生的沖擊直接引發(fā)閥組內(nèi)的某些部件及與之相連的管道的振動，這種振動影響閥體強(qiáng)度。利用Solidworks Simulation對閥門在不同工作狀態(tài)下的整體強(qiáng)度進(jìn)行有限元分析，掌握高爐煤氣調(diào)壓閥組閥體強(qiáng)度數(shù)據(jù)對現(xiàn)場設(shè)備管理非常重要。

3 調(diào)壓閥組閥體強(qiáng)度有限元分析

3.1 蝶板開啟狀態(tài)靜壓力下

3.1.1 確定材料

在Solidworks Simulation中指定閥體的材料為Q235B，力學(xué)性能參數(shù)見表1。

表1 調(diào)壓蝶閥閥體材質(zhì)Q235B力學(xué)性能參數(shù)

3.1.2 定義約束

蝶閥通過閥門兩端配對法蘭與管路用螺栓連接，根據(jù)調(diào)壓閥組中蝶閥的工作狀態(tài)，其約束在法蘭的平面和受螺栓軸向力作用的法蘭內(nèi)側(cè)平面。定義約束條件時(shí)，Simulation會自動添加到法蘭整個外端面，此時(shí)應(yīng)根據(jù)實(shí)際約束情況，對約束的部位進(jìn)行重新編輯，見圖2。

3.1.3 加載載荷

調(diào)壓蝶閥在靜壓力狀態(tài)下，作用力垂直作用在閥體的內(nèi)壁上，根據(jù) GB/T 13927—2008的靜壓強(qiáng)度試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，試驗(yàn)壓力為額定工作壓力的1.5倍，即加載載荷0.9 MPa，添加載荷到閥體內(nèi)腔，加載載荷見圖3。

3.1.4 劃分網(wǎng)格

對約束進(jìn)行定義、加載載荷0.9 MPa，開始劃分網(wǎng)格，得到25 473個單元、50 641個節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)格劃分見圖4。

運(yùn)行 Simulation，得到分析結(jié)果見表2。

在蝶板開啟的靜壓力狀態(tài)下，此時(shí)閥體上產(chǎn)生的最大應(yīng)力為 4.8 MPa，發(fā)生在節(jié)點(diǎn)29 251處，應(yīng)力云圖見圖5。

最大位移為0.009 mm，發(fā)生在閥體上部與閥體承壓側(cè)法蘭連接部位，節(jié)點(diǎn)33 747處，位移云圖見圖6。

圖2 定義約束條件

圖3 加載載荷

圖4 對閥體劃分網(wǎng)格

表2 靜壓力下蝶板開啟時(shí)Simulation分析結(jié)果

表3 靜壓力下閥板關(guān)閉時(shí)Simulation分析結(jié)果

閥體受內(nèi)壓時(shí)，內(nèi)壁在壓力作用下向外產(chǎn)生變形，最大應(yīng)力點(diǎn)的等效應(yīng)力為4.8 MPa，根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范，此應(yīng)力強(qiáng)度不得超過試驗(yàn)溫度下材料屈服強(qiáng)度σs。閥體的σs為235 MPa，所以應(yīng)力符合設(shè)計(jì)要求。 最大位移為0.009 mm，閥體的延伸率為26%，位移符合設(shè)計(jì)要求。

3.2 閥板關(guān)閉狀態(tài)

重復(fù)3.1.1～3.1.4步驟，閥板關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，運(yùn)行Simulation，得到分析結(jié)果，見表3。

在閥板關(guān)閉的靜壓力狀態(tài)下，此時(shí)閥體上產(chǎn)生的最大應(yīng)力為61.8 MPa，發(fā)生在節(jié)點(diǎn)24515處，應(yīng)力云圖見圖7。

最大位移為0.012 mm，發(fā)生在節(jié)點(diǎn)33 718處，位移云圖見圖8。

閥體受內(nèi)壓時(shí)，內(nèi)壁在壓力作用下向外產(chǎn)生變形，最大應(yīng)力點(diǎn)的等效應(yīng)力為61.8 MPa，根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范，此應(yīng)力強(qiáng)度不得超過試驗(yàn)溫度下材料屈服強(qiáng)度σs。閥體的 σs為235 MPa，所以應(yīng)力符合設(shè)計(jì)要求。最大位移為0.012 mm，閥體的延伸率為26%，位移符合設(shè)計(jì)要求。

圖5 閥板開啟時(shí)的應(yīng)力云圖

圖6 閥板開啟時(shí)的位移云圖

圖7 閥板關(guān)閉時(shí)的應(yīng)力云圖

圖8 閥板關(guān)閉時(shí)的位移云圖

4 結(jié)束語

高爐煤氣調(diào)壓閥組工作原理和Solidworks Simulation分析方法。利用Solidworks Simulation對高爐煤氣調(diào)壓閥組閥門在不同工作狀態(tài)下進(jìn)行整體強(qiáng)度有限元分析，得出閥門在關(guān)閉和開啟兩種狀態(tài)下的最大位移量和最大應(yīng)力，為高爐生產(chǎn)現(xiàn)場設(shè)備管理提供技術(shù)支持。