高溫蝶閥筋板設(shè)置對閥座強度的影響及分析

　　蝶閥結(jié)構(gòu)簡單，體積小，啟閉迅速流阻小。目前國內(nèi)生產(chǎn)的閥門中，將工作溫度t>450℃的蝶閥稱為高溫蝶閥。某公司煙機入口的調(diào)節(jié)閥采用DN1200電液高溫蝶閥，其閥體結(jié)構(gòu)為雙偏心形式，且閥體與管道采用焊接連接。

　　1 概述

　　蝶閥結(jié)構(gòu)簡單，體積小，啟閉迅速流阻小。目前國內(nèi)生產(chǎn)的閥門中，將工作溫度t>450℃的蝶閥稱為

　　高溫蝶閥。

　　某公司煙機入口的調(diào)節(jié)閥采用DN1200電液高溫蝶閥，其閥體結(jié)構(gòu)為雙偏心形式，且閥體與管道采用焊接連接。高溫蝶閥的操作溫度為650℃，閥座和蝶板的材質(zhì)為0Cr18Ni9。高溫雙偏心蝶閥常采用兩種形式，即蝶閥筋板可采用垂直放置和斜置兩種形式。為探討兩種結(jié)構(gòu)形式的強度，利用AN-SYS有限元分析軟件提供的APDL語言編程參數(shù)化技術(shù)對不同筋板放置下的蝶閥閥座建立較為精確的三維有限元模型，分析兩種結(jié)構(gòu)在內(nèi)壓6MPa(水壓試驗壓力)的應(yīng)力分布。

　　2 有限元模型

　　2.1 幾何模型

　　利用ANSYS分別建立蝶閥閥座在筋板垂直及斜置狀態(tài)下的三維幾何模型(圖1)，其中斜置筋板與閥座中心橫切面所成的角度為25°。閥門操作壓力為0.26MPa，閥座外覆防水泡沫石棉保溫材料，厚度為80～100mm，由于只考慮閥座筋板對閥座強度的影響，故保溫層可以忽略不計。

　　(a)蝶閥筋板垂直放置 (b)蝶閥筋板斜置

　　圖1 垂直和斜置筋板下的閥座三維模型

　　2.2 網(wǎng)格劃分

　　對閥座應(yīng)力分析計算采用SOLID45單元，其具有三維8節(jié)點，每個節(jié)點有三個沿著x、y及z方向平移的自由度。閥座在內(nèi)壓下強度的分析未考慮溫度分布和保溫層的影響。

　　當(dāng)?shù)y筋板垂直放置時，考慮到幾何模型的復(fù)雜性，為保證網(wǎng)格質(zhì)量和分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，將整體分析模型細(xì)分為較小的體積塊，并依次進(jìn)行網(wǎng)格劃分，確保有限單元網(wǎng)格的光滑過渡?？紤]到兩端支撐邊界對蝶閥受力情況的影響，這里將閥座模型向兩端各延長600mm。整體有限單元模型如圖2(a)所示，共15986個SOLID45單元。當(dāng)?shù)y筋板傾斜放置時，考慮到幾何模型的復(fù)雜性，中間采用自由網(wǎng)格劃分，整體有限元模型如圖2(b)所示，共12813個SOLID45單元。

　　(a)蝶閥筋板垂直放置(b)蝶閥筋板斜置

　　圖2 垂直和斜置筋板下的閥座網(wǎng)格劃分模型

　　2.3 材料屬性及邊界條件

　　根據(jù)蝶閥的操作條件，確定其材料屬性、初始條件及邊界條件。

　　(1)材料屬性

　　蝶閥材質(zhì)為0Cr19Ni9，即304不銹鋼。彈性模量為1.95×105MPa，泊松比為0.3。值得注意的是，模型兩端延長部分采用相同的材料屬性。

　　(2)邊界條件

　　在模型入口端的斷面上施加固定邊界，而另一端的斷面保持為平面，即耦合軸向方向的位移。

　　(3)載荷

　　根據(jù)水壓試驗壓力，閥座內(nèi)壓取為6MPa。在閥座保持為平面的一端及接管的端部施加響應(yīng)的軸向拉力P。

　　式中 P———軸向拉力

　　Pi———內(nèi)壓

　　Ri———內(nèi)徑

　　Ro———外徑

　　所以，閥座保持為平面一端的軸向拉力P1為

　　接管端部的軸向拉力P2為

　　綜上分析，載荷條件壓力載荷和軸向拉力載荷，邊界條件為軸向位移約束。

　　3 計算結(jié)果及分析

　　3.1 筋板垂直放置時閥座應(yīng)力分析

　　圖3(a)顯示了蝶閥閥座的徑向應(yīng)力，結(jié)果表明蝶閥閥座的徑向應(yīng)力較小，大徑向應(yīng)力值在接管與筒體連接的附近，約為35MPa。值得注意的是，分析中將入口一側(cè)取為固定支撐，而另一端自由支撐，這樣處理并不是實際工況，僅為平衡閥座的各項應(yīng)力，而根據(jù)圣維南原理，該固定邊界僅影響固定支撐附近的應(yīng)力狀態(tài)，而不影響遠(yuǎn)端的應(yīng)力狀態(tài)。因此，分析中僅顯示了閥座的應(yīng)力狀態(tài)，并沒有顯示分析時延長部分的應(yīng)力狀態(tài)。圖3(b)顯示了蝶閥閥座的周向應(yīng)力，結(jié)果表明蝶閥閥座的周向應(yīng)力較大，大值在接管與筒體內(nèi)壁連接處，約為191.14MPa。圖3(c)顯示了蝶閥閥座的軸向應(yīng)力，結(jié)果表明蝶閥閥座的軸向應(yīng)力較小，大應(yīng)力值在接管與筒體外壁連接處，約為74.8MPa。圖3(d)顯示了蝶閥閥座的MISES等效應(yīng)力，結(jié)果表明蝶閥閥座的MISES等效應(yīng)力較大，大等效應(yīng)力值在接管與筒體外壁連接處，約為191MPa。

　　(a)閥座徑向應(yīng)力 (b)閥座周向應(yīng)力

　　(c)閥座軸向應(yīng)力 (d)閥座MISES等效應(yīng)力

　　圖3 筋板垂直放置時閥座應(yīng)力場

　　考慮到筋板垂直放置時蝶閥閥座的大等效應(yīng)力值在短接管與筒體外壁連接處，根據(jù)大應(yīng)力處的壁厚方向選取了3條應(yīng)力線性分析路徑(圖4)。

　　圖4 筋板垂直放置時閥座應(yīng)力線性化路徑

　　GB150中304不銹鋼在常溫下的許用應(yīng)力為137MPa，取安全系數(shù)為1.5，則304的屈服極限為205.5MPa。各路徑應(yīng)力評定結(jié)果如表1所示。

　　表1 筋板垂直放置時各路徑應(yīng)力評定結(jié)果 MPa

　　由分析結(jié)果可知，筋板垂直放置時蝶閥閥座的大應(yīng)力滿足水壓試驗的要求。分析中未考慮疲勞載荷的影響，因此對總應(yīng)力不做評定。

　　3.2 筋板傾斜放置時閥座應(yīng)力分析

　　圖5(a)顯示了筋板傾斜放置時蝶閥閥座的徑向應(yīng)力，結(jié)果表明其徑向應(yīng)力較小，大值在接管與筒體連接的附近，約為26MPa。圖5(b)顯示了蝶閥閥座的周向應(yīng)力，結(jié)果表明蝶閥閥座的軸向應(yīng)力較大，大值在接管與筒體內(nèi)壁連接處，約為164.2MPa。圖5(c)顯示了蝶閥閥座的軸向應(yīng)力，結(jié)果表明蝶閥閥座的軸向應(yīng)力較小，大軸向應(yīng)力值在筋板與筒體內(nèi)壁連接處，約為73.7MPa。圖5(d)顯示了蝶閥閥座的MISES等效應(yīng)力，結(jié)果表明蝶閥閥座的MISES等效應(yīng)力較大，大等效應(yīng)力值在短接管與筒體外壁連接處，約為154.1MPa。

　　(a)閥座徑向應(yīng)力 (b)閥座周向應(yīng)力

　　(c)閥座軸向應(yīng)力 (d)閥座MISES等效應(yīng)力

　　圖5 筋板傾斜放置時閥座的應(yīng)力場

　　考慮到筋板傾斜放置時蝶閥閥座的大等效應(yīng)力值在短接管與筒體外壁連接處，這里根據(jù)大應(yīng)力處的壁厚方向選取了3條應(yīng)力線性化分析路徑(圖6)。

　　圖6 筋板傾斜放置時閥座應(yīng)力線性化路徑

　　各路徑應(yīng)力評定結(jié)果如表2所示。

　　表2 筋板傾斜放置時各路徑應(yīng)力評定結(jié)果 MPa

　　4 結(jié)語

　　(1)采用ANSYS軟件，分別對筋板在垂直及傾斜放置狀態(tài)下加載分析，獲得了高溫蝶閥閥座的徑向、周向、軸向和MISES等效應(yīng)力場情況，對兩種閥座的承載能力進(jìn)行了對比分析，為高溫蝶閥的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和安全選型提供參考依據(jù)。

　　(2)計算結(jié)果表明，筋板垂直放置時蝶閥閥座的大等效應(yīng)力在短接管與閥座筒體內(nèi)壁連接處，且大值為191.14MPa。筋板傾斜放置時蝶閥閥座的大等效應(yīng)力也在短接管與閥座筒體內(nèi)壁連接處，且大值為154.1MPa。

　　(3)值得注意的是，雖然二者的大等效應(yīng)力均在短接管與閥座筒體內(nèi)壁連接處，但其開孔位置不同。如果僅考慮內(nèi)壓的作用，筋板傾斜放置時蝶閥閥座的承載能力較高。根據(jù)彈性設(shè)計準(zhǔn)則，筋板傾斜放置時蝶閥閥座的承載能力約為垂直放置時閥座的1.24倍。

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