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?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)果的準確性，將整體分析模型細分為較小的體積塊,，并依次進行網(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?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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