基于热固耦合的高温闸阀密封与强度分析

陈宗杰 张孙力

摘要：为保证闸阀在高温工况下运行的安全可靠性，文中结合阀门设计壳体与密封试验要求，采用有限元仿真分析方法对NPS3-CL300高温闸阀的密封性、温度场和应力场进行计算分析。结果表明，所设计的闸阀在常温下满足密封与强度试验要求;在425℃高温下工作，上密封填料温度，阀体和阀盖应力满足材料强度性能与设计要求，具有良好的工程实用价值。

关键词：高温闸阀;温度场;应力场;强度

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

闸阀是一种启闭件由阀杆带动，沿密封面做直线运动的阀门，由于其具有流体阻力小、启闭阻力小、介质流动方向不受限制、结构长度较短、密封性能好等特点[1]，广泛应用于精炼厂、化工厂、电站和工业企业生产设备中。随着现代设备的发展，闸阀的应用范围不断扩大，开始向高温高压方向发展。制造高温高压闸阀的关键，是解决由于温度变化引起的闸板楔死问题和保证其可靠的使用密封性能[2]，同时保证实际使用中的应力分布满足材料性能要求。

目前研究者们已经对闸阀进行了大量研究，杨伟东[3]等对电动高温闸阀温度场进行了数值模拟研究，并通过优化筋板结构减小了热应变。柳雄[4]等对电动闸阀进行了流固耦合分析，并进行轻量化设计有效降低了产品质量。刘惺[5]等通过流固耦合方法分析了双闸板闸阀阀座失效的问题，并对阀座外径进行优化，有效降低等效应力。赵英博[6]等在高温锻钢闸阀热固耦合分析的结果基础上，对所研究阀门进行应力评定，得到所设计阀门满足使用要求。刘惺[7]等采用动网格技术对闸阀进行了瞬态开启的流场研究。Liu等[8]运用流体仿真软件对闸阀的流动特性进行了分析，并提出了合理的流道结构改进方法。Luo 等[9]基于Abaqus仿真得到的应力分布特性对阀体进行了轻量化设计。可见闸阀使用的可靠性和经济性是现阶段闸阀设计研究的主要方向。

文中采用ANSYS对NPS3-CL300高温闸阀的强度与密封进行仿真计算，分析了高温阀门的强度与密封特性，研究结果可为高温闸阀设计性能判定与优化提供参考，并可作为设计单位高温闸阀设计的重要校核结论之一。

2高温闸阀结构与材料

文中以NPS3-CL300高温闸阀为研究对象，主要由阀体、阀板、阀盖、填料、手轮、散热片、阀杆等部件组成。建立相应三维阀门结构模型，并进行网格划分，对所研究的散热片、填料以及密封面进行网格细化。结构简图与网格划分如图1所示，网格数量为66797，节点数为136434。阀体、阀盖、闸板的材料选用CF8，阀杆材料选用F304，散热片材料选用304，相关材料425℃的主要属性如表1所示。

3 高温闸阀温度场计算

3.1 数学模型

高温闸阀的稳态热分析主要涉及阀门零部件之间的热传导和阀门与外部空气的对流换热。热传导主要是指热量从阀体内壁面向阀体低温部分与阀门低温零部件传递的过程。热传导的数学表达式为[10]：

（1）

式中：为热流量，W;为导热系数，

W/（m·℃）;为垂直于热流方向的截面面积，m2;为温度在方向的变化率;负号表示热量传递方向与温度升高方向相反。

热对流主要指阀门与流动空气之间存在的温差所引发的热量转移过程，与阀门散热面的几何形状和放置位置直接相关。热对流的基本计算式为：

（2）

式中：为热对流系数，W/（m2·℃）;为换热面积，m2;为流体与壁面的温差，℃。

对于已知阀门表面和流体之间对流换热系数h以及流体的温度f的边界条件，可表述为：

（3）

式中：为阀门外壁面温度，℃;为温度在方向的变化率。

3.2 仿真结果及分析

研究的高温闸阀的工作温度为425℃。在阀门内部与流体接触表面添加工作温度，设置环境温度为22℃，对流换热系数为12.5W/m2·K。

通过稳态热分析得到高温闸阀的温度场分布如图2所示，从图中得到温度总体呈现从下到上减小的趋势，在散热片所在阀盖颈部温度下降较快，在手轮位置温度降到最低值为41.85℃。图3到图6为高温闸阀阀体、阀盖、散热片、填料等部件的温度场云图。从图3得到阀体最高温度为425℃，沿着内壁面温度向外部逐渐降低，最低温度396℃出现在阀体两端法兰外边缘。图4中阀盖温度变化明显，从425℃呈梯度分布降到79.97℃。图5中散热片由内到外，由下到上温度变化明显，最大温差达到了123.51℃。从图6得到所研究高温闸阀结构在工作情况下的下部填料最高温度为209.53℃。计算结果表明设计阀门在使用中的填料和手轮温度符合实际使用要求，散热片散热效果显著。

4 高温闸阀应力场计算

4.1 密封比压计算与分析

本次设计的高温闸阀在实际工况使用中的密封比压必须要大于设计的密封必须比压，小于密封许用比压，才能达到密封效果，防止泄漏发生。当密封材料为硬质合金时，密封许用比压为250MPa，密封必须比压的计算公式为[11]：

（4）

式中：为公称压力，MPa;为密封面宽度，mm。

设计阀门的密封面宽度为4.5mm，公称压力为5MPa，得到结果为12.67MPa。

密封试验是检验阀门密封副密封性能的试验，仿真分析中采用工作压力的1.1倍压力，既在密封结构前的闸板和阀体内腔面添加3.08MPa的压力，并在阀体进口端施加固定约束来模拟流体冲击闸板的密封试验过程，检验密封效果。阀座与阀体的接触面采用摩擦约束，约束系数设置为0.1，仿真结果如图7所示。由图7得到阀门关闭时，最大密封比压为69.03MPa，最小密封比压为8.85MPa，密封面上下两端密封比压相对较小，但总体大于计算得到的必须密封比压，校核得到阀体与阀板密封结构设计符合密封要求。

4.2 压力试验应力分析

阀门壳体试验是对阀体和阀盖联结而成的整个外壳进行的压力试验，以确定阀体阀盖的密封性与设计是否满足材料强度要求。

在阀体两端施加固定约束，阀体和阀盖内腔表面施加1.5倍工作压力，即添加4.2MPa介质压力，模拟壳体压力试验。由于阀体与阀盖采用螺栓紧固，设置阀体与阀盖的结合面为固定约束，在中法兰上施加螺栓计算载荷102073N。阀体和阀盖应力分布云图如图8和图9所示，应力场都呈对称分布，阀体的高应力区位于中腔内壁面处，最高等效应力出现在加强筋处，为71.37MPa，这是由于所设计阀体中腔上大下小的结构受压变形造成的。阀盖的最大应力为24.18MPa，与阀体都远远小于材料的屈服强度205MPa。

4.3 高温工况闸阀应力场分析

温度场的引入，造成热胀冷缩，可能会带来局部应力峰值的出现，引起结构失效，因此有必要结合热应力，进行实际工况下的总体应力分析。考虑到对于高温闸阀的温度作用会对结构产生明显的影响，而结构对于温度的影响微乎其微，文中采用单向热固耦合方法，使其满足传热控制方程、固体控制方程以及耦合基本守恒原则来进行求解。

仿真过程中在阀体两端添加管段，模拟实际情况，同时避免高温应力奇异发生在阀体上。在耦合温度场的同时在管阀系统内壁面上添加2.8MPa内压力，阀体与阀盖的结合面设置为固定约束，在中法兰上施加425℃时的螺栓计算载荷153700N。通过求解得到阀体和阀盖总应力分布云图，如图10和图11所示。由图10得到阀体在高温作用下的最大等效应力为96.02MPa，此时阀体膨胀带来的应力主要集中于加强筋板上。图11中阀盖由于温度梯度影响膨胀变形以及工作内压力作用下，最大应力发生在阀盖外表面结构变化的圆角边沿处，此时的最大等效应力为61.09MPa。仿真结果表明在425℃时，阀体和阀盖等效应力值都小于该温度下的最大许用应力105MPa，因此所设计的阀门满足高温流体运输的强度需求。

5 结论

（1）通过有限元分析得到高温闸阀的温度分布云图，温度呈现由下而上逐渐减小，在散热片所在的阀盖颈部降温明显。当前工况下填料的最高温度为209.53℃，手轮温度为41.85℃，满足使用要求。

（2）密封试验仿真结果显示阀体密封面上下两端比压相对较小，但整个圆周方向上总体密封比压大于计算得到的必须密封比压，满足设计密封要求。

（3）壳体压力试验仿真结果显示，设计的NPS3-CL300高温闸阀在4.2MPa介质压力作用下的做大等效应力发生在阀体筋板上，为71.37MPa，远小于屈服强度205MPa，满足出厂强度要求。

（4）根据热固耦合结果，热应力的引入改变了阀体和阀盖的应力分布，但热膨胀带来的最大等效应力仍处于加强筋板处，为96.02MPa，小于材料在该温度下的许用应力105MPa，表明NPS3-CL300在425℃工况下使用不会产生大的变形量，满足高温流体运输的强度要求。

参考文献

[1]张汉林，张清双，胡远银.阀门手册：使用与维修[M]. 化学工业出版社，2013：77.

[2]张清双，尹玉杰，明赐东.阀门手册-选型[M]. 化学工业出版社，2013.

[3]杨伟东，张跃强，张早校.电动高温闸阀阀体热特性分析与优化设计[J].化工机械，2016，043（003）：324-328.

[4]柳雄，赵刚，张娜，黄馨，罗小龙.基于流固耦合与DOE的电动闸阀轻量化设计[J].组合机床与自动化加工技术，2020（10）：40-43.

[5]刘惺，何庆中，赵献丹，王佳，廖伯权.基于流固耦合楔形双闸板闸阀阀座失效分析与结构优化[J].液压与气动，2020（01）：153-158.

[6]赵英博，张强升，陈天敏.高温锻钢闸阀的温度场计算和热固耦合分析[J].发电技术，2019，40（02）：181-186.

[7]刘惺，何庆中，王佳，赵献丹，廖伯权.基于动网格技术楔形双闸板闸阀开启特性分析[J].科学技术与工程，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，高军，李劲.可靠性试验[M].电子工业出版社， 2013：30-31.

[11]陆培文.实用阀门设计手册[M].机械工业出版社， 2002：740-741.