电动高温闸阀阀体热特性分析与优化设计

杨伟东 张跃强 张早校

(西安交通大学化学工程与技术学院)

电动高温闸阀阀体热特性分析与优化设计

杨伟东*张跃强 张早校

(西安交通大学化学工程与技术学院)

基于Ansys Workbench的热-构耦合对阀体结构进行了热特性分析，并对板筋尺寸进行了优化设计。首先，分析了正常工况下阀体的物理模型，可近似地看作变面积式肋片导热问题。其次，在Ansys Workbench中通过材料的添加、网格的划分和边界条件的设定，模拟了高温电动闸阀阀体的实际工况，求解出了高温电动闸阀在正常工况下，阀体温度、热应变、总体变形和等效应力的分布。最后，通过对板筋尺寸的优化设计，得到了板筋尺寸δ和H与热应变、总体变形和等效应力最大值的变化关系，最终得到了板筋优化后的尺寸。

电动高温闸阀 板筋 热-构耦合 优化设计

电动高温闸阀是一种闸板式单面金属硬密封切断式耐高温闸阀。主要用在催化裂化装置的烟气轮机入口管线，正常操作时全开，出故障时快速关闭，是烟气切断和紧急停车自动联锁的关键阀门[1]。一般情况下，动作次数较少。20世纪90年代国内开始关注电动高温闸阀的设计问题[2,3]。常用的结构中，阀体和阀盖采用铆焊结构，密封形式采用楔式双闸板密封结构[4]或单面硬密封配合蒸汽辅助密封等。但是由于当时缺少计算机辅助设计能力，未对结构进行优化。特别是板筋部分，在使用一定年限后，会出现焊缝开裂情况，严重影响了正常生产，并且易产生安全隐患。为此，笔者利用Ansys Workbench热-结构耦合分析方法对电动高温闸阀阀体进行热特性分析，确定板筋处的应变、应力分布，并根据计算结果利用Workbench的参数优化模块对板筋的设计进行优化。

1 电动高温闸阀阀体模型

为了简化模型方便计算机模拟，假设：烟气的温度与流速分布已充分发展，从入口到出口的烟气温度均保持在700℃且流速稳定；阀体与保温层接触良好，不考虑接触热阻；环境温度设置为22℃；系统处于热稳态，即只对模型进行稳态传热分析[5]。

电动高温闸阀的阀体如图1所示，热特性问题可近似看作变面积的肋片导热问题。由于烟气温度保持在700℃且流速稳定，可以认为与烟气接触的圆管管壁温度为700℃且保持恒温，与圆管管壁接触的部位可以看作肋根。

图1 阀体结构示意图

由稳态微分方程可得[5]：

(1)

建立肋片中温度场的数学描述，式(1)可化简为：

(2)

2 电动高温闸阀阀体的热-结构耦合分析

2.1稳态传热

可利用Ansys Workbench对模型进行稳态传热分析。在稳态热中任一节点的温度不随时间变化，稳态热分析的能量平衡方程为：

[K(T)]{T}={Q(T)}

(3)

其中，[K]为传导矩阵，包含导热系数、对流系数、辐射率和形状系数；{T}为节点温度向量；{Q}为节点热流率向量，包含生成热。在Ansys Workbench中利用模型几何参数、材料性能参数和所施加的边界条件，生成[K]、{T}和{Q}。

2.2确定边界条件

在Ansys Workbench中，边界条件是获得分析结果的定解条件，热分析的边界条件有温度、对流及辐射等。结构分析的边界条件有固定约束、位移约束和刚性约束。根据实际工况，可以单独一项或几项组合，边界条件的准确性对热分析结果有很大的影响。

由阀体的物理模型可知，肋根与肋片主要通过热传导方式进行热量传递。导热问题有3类常见的边界条件：规定了边界上的温度值，称为第一类边界条件；规定了边界上的热流密度值，称为第二类边界条件；规定了边界上物体与周围流体间的表面传热系数h和周围流体的温度t，称为第三类边界条件。

电动高温闸阀的使用温度为700℃，使用压力0.3MPa，通过的介质为带有催化剂颗粒的烟气。根据实际工况，笔者以第一类边界条件进行模拟计算，即取肋根处温度恒为700℃。

阀体的外表面换热是辐射与自然对流换热，辐射换热条件是环境温度th=22℃和外壁的表面黑度ε=0.65(普通钢板材料)。自然对流换热则需要设定环境温度和换热状态，在Ansys Workbench中的Convection可进行相关设置。辐射则可根据外壁的表面黑度和环境温度，在Radiation中进行设置。

2.3材料的选择

根据电动高温闸阀的使用工况，要求材料耐高温耐腐蚀[6～8]。选取奥氏体不锈钢,具体牌号为ZG03Cr19Ni11Mo3，其化学成分见表1。其屈服强度σs=210MPa，抗拉强度σb=480MPa，断面收缩率δ=30%。根据材料的特性在库中添加即可。

表1 材料化学成分 wt%

2.4网格划分

为了提高计算精度且节约计算资源，对模型进行网格划分，并对4块板筋进行局部网格细化。有限元模型中包含的节点个数为227 993，单元数为61 027，网格质量度量指数skewness为0.18，可以满足精度要求。有限元网格划分模型如图2所示。

图2 网格划分示意图

2.5求解

将模型导入Ansys Workbench，进行添加材料、网格划分、添加边界条件，得出以下结果，为后续的板筋优化提供依据。

通过对阀体模型的计算，得出温度变化云图如图3所示。由图3可以看出，阀体上的温度在过烟道壁面最高，距离热源越远温度越低，在最远处温度为35℃左右，接近周围室温，由温度分布可以看出符合肋片的物理模型。

图3 阀体温度变化云图

得到热应变云图如图4所示。热应变主要是由温度变化引起的，其变化和温度云图相似，由图4可以看出热应变的值较小。但需要注意的是，板筋与过烟道焊缝处的热应变还是比较大的，如果焊缝质量出现问题，将引起板筋的开裂，所以板筋处的热应变是需要得到控制的。

图4 热应变云图

得到的等效应力云图如图5所示。由图5可以看出，最大应力出现在过烟道和板筋的交界处，达950MPa左右，远超出了材料的强度极限480MPa，这也是造成板筋开裂的一个重要因素，需要进行设计优化。

图5 等效应力云图

得到的总体变形量云图如图6所示。由图6可以看出最大变形发生在过烟道处即δmax=13.90mm，板筋处的最大变形δmax=3.42mm左右。这主要是因为过烟道和板筋处的温度比较高，受热膨胀造成变形。而由于板筋和圆柱形烟道被焊接在一起，使烟道受热不能自由膨胀，所以带动板筋发生了变形。所以可以说热应力和结构应力最终引起了整个阀体的变形，体现在了总变形上。板筋的变形是造成板筋开裂的一个直接原因。

图6 总体变形量云图

通过以上计算分析可知，由于阀体温度变化所引起的热应力和阀体所受的结构应力共同产生的变形和应变是板筋开裂的主要原因。

3 优化设计

通过利用Ansys Workbench对阀体的热-构耦合，分析了板筋的开裂原因。笔者利用Ansys Workbench中的Design Exploration模块，通过对板筋尺寸参数化，以期减少板筋所受的热应变和等效应力，从而达到优化板筋设计的目的。板筋尺寸如图7所示。

图7 板筋尺寸示意图

由于板筋尺寸L为阀体安装尺寸，不能改变，所以以尺寸H和板筋厚度δ为参数变量进行求解。

3.1计算结果

在Design Exploration中求解的结果见表2。

表2 板筋参数化求解结果

注：P4为总体变形量最大值(mm)；P5为热应变最大值(mm/mm)；P6为等效应力最大值(MPa)。

3.1.1板筋尺寸与总体变形量最大值的关系

图8为板筋的厚度δ与总体变形量最大值的关系，可以看出随着板筋厚度的增加总体变形量最大值越来越大。

图9为板筋的尺寸H与总体变形量最大值的关系，可以看出随着板筋尺寸的增加，总体变形量最大值先减小后增大。

图10为板筋厚度δ、板筋的尺寸H和总体变形量最大值的关系，可以看出，最下面的一组线所对应的值为所要求相对于总体变形量的最优解，由表2可以得出为(22.5,180)。

图8 板筋厚度与总体变形量最大值的关系

图9 板筋尺寸与总体变形量最大值的关系

图10 板筋尺寸与总体变形量最大值的关系

3.1.2板筋尺寸与热应变最大值的关系

图11为板筋的尺寸δ、H与热应变最大值的关系，可以看出板筋尺寸H对热应变最大值无明

显影响；随板筋的厚度δ增大，热应变最大值先增大后减小。由表2可得出相对于热应力最大值的最优解δ=25。

图11 板筋厚度与热应变最大值的关系

3.1.3板筋尺寸与等效应力最大值的关系

图12为板筋尺寸δ和H与等效应力最大值的关系，可以看出，δ和H所对应的等效应力最大值为一系列散点，很难得出具体的关系。由表2可知，相对于等效应力最大值可得最优解为(27.5,180)。

图12 板筋尺寸与等效应力最大值的关系

3.2板筋尺寸δ与H的确定

由表2可以看出，板筋尺寸δ和H对热应变最大值的影响较小，相差0.000 01。所以主要考虑对总体变形量最大值和等效应力最大值的影响，选择第二组或第三组解为最优解。

由图5可以看出，阀体的最大等效应力点发生在板筋和烟道管壁的焊缝处，属于安全隐患，必须对之进行相应的优化。由图6可以看出，板筋的最大变形较小，并且由表2可以看出，第二组和第三组的总体变形量最大值相差并不是很大。

由以上分析可知，选择第三组解(27.5,180)比较合理。即δ=55mm，H=180mm。

4 结论

4.1高温电动闸阀在正常工况下，阀体温度在过烟道壁面处最高，距离热源越远温度越低，在最远处接近室温。热应变和温度变化趋势一致，特别需要控制筋板处的热应变。等效应力出现在烟道和筋板处，最大达950MPa，超出了材料的强度极限。

4.2阀体温度变化所引起的热应力和阀体所受的结构应力共同产生的变形和应变是板筋开裂的主要原因。分析得出了板筋尺寸δ和H与热应变、总体变形、等效应力最大值的变化关系。

4.3通过利用Ansys Workbench中的Design Exploration模块，求解出了板筋尺寸的优化解，即δ=55mm，H=180mm。

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ValveBody’sThermalCharacteristicsAnalysisforHigh-TemperatureElectricalGateValvesandItsOptimalDesign

YANG Wei-dong, ZHANG Yue-qiang, ZHANG Zao-xiao

(SchoolofChemicalEngineeringandTechnology,Xi’anJiaotongUniversity,Xi’an710049,China)

Having Ansys Workbench thermal-structural coupling based to analyze thermal characteristics of valve body structure was implemented, including the optimal design of plate rib’s size; and the valve body’s physical model under normal working conditions can be similarly regarded as the heat conduction of area-alterable ribs; and in the Ansys Workbench, through having the materials added and grids divided and the boundary conditions set, the valve body’s working condition of high-temperature electrical gate valve was simulated to obtain the distributions of valve body’s temperature, thermal strain, overall deformation and the equivalent stress; through optimizing the size of plate ribs, the relationship between plate rib’s sizeδ,Hand the thermal strain, overall deformation and the maximum equivalent stress can be reached ,so does the optimized size of plate ribs.

high-temperature electrical gate valve, plate rib, thermal-structural coupling, optimal design

*杨伟东，男，1989年5月生，硕士研究生。陕西省西安市，710049。

TQ055.8+1

A

0254-6094(2016)03-0324-06

2015-08-20)