高溫蝶閥筋板設置對閥座強度的影響及分析

　　蝶閥結構簡單，體積小，啟閉迅速流阻小。目前國內生產的閥門中，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節閥采用DN1200電液高溫蝶閥，其閥體結構為雙偏心形式，且閥體與管道采用焊接連接。

　　1 概述

　　蝶閥結構簡單，體積小，啟閉迅速流阻小。目前國內生產的閥門中，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節閥采用DN1200電液高溫蝶閥，其閥體結構為雙偏心形式，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。為探討兩種結構形式的強度，利用AN-SYS有限元分析軟件提供的APDL語言編程參數化技術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，分析兩種結構在內壓6MPa(水壓試驗壓力)的應力分布。

　　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 網格劃分

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

　　當蝶閥筋板垂直放置時，考慮到幾何模型的復雜性，為保證網格質量和分析結果的準確性，將整體分析模型細分為較小的體積塊，并依次進行網格劃分，確保有限單元網格的光滑過渡。考慮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。當蝶閥筋板傾斜放置時，考慮到幾何模型的復雜性，中間采用自由網格劃分，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格劃分模型

　　2.3 材料屬性及邊界條件

　　根據蝶閥的操作條件，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

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

　　式中 P———軸向拉力

　　Pi———內壓

　　Ri———內徑

　　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 計算結果及分析

　　3.1 筋板垂直放置時閥座應力分析

　　圖3(a)顯示了蝶閥閥座的徑向應力，結果表明蝶閥閥座的徑向應力較小，大徑向應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力，而根據圣維南原理，該固定邊界僅影響固定支撐附近的應力狀態，而不影響遠端的應力狀態。因此，分析中僅顯示了閥座的應力狀態，并沒有顯示分析時延長部分的應力狀態。圖3(b)顯示了蝶閥閥座的周向應力，結果表明蝶閥閥座的周向應力較大，大值在接管與筒體內壁連接處，約為191.14MPa。圖3(c)顯示了蝶閥閥座的軸向應力，結果表明蝶閥閥座的軸向應力較小，大應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等效應力，結果表明蝶閥閥座的MISES等效應力較大，大等效應力值在接管與筒體外壁連接處，約為191MPa。

　　(a)閥座徑向應力 (b)閥座周向應力

　　(c)閥座軸向應力 (d)閥座MISES等效應力

　　圖3 筋板垂直放置時閥座應力場

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

　　圖4 筋板垂直放置時閥座應力線性化路徑

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

　　表1 筋板垂直放置時各路徑應力評定結果 MPa

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

　　3.2 筋板傾斜放置時閥座應力分析

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

　　(a)閥座徑向應力 (b)閥座周向應力

　　(c)閥座軸向應力 (d)閥座MISES等效應力

　　圖5 筋板傾斜放置時閥座的應力場

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

　　圖6 筋板傾斜放置時閥座應力線性化路徑

　　各路徑應力評定結果如表2所示。

　　表2 筋板傾斜放置時各路徑應力評定結果 MPa

　　4 結語

　　(1)采用ANSYS軟件，分別對筋板在垂直及傾斜放置狀態下加載分析，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，為高溫蝶閥的結構優化和安全選型提供參考依據。

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

　　(3)值得注意的是，雖然二者的大等效應力均在短接管與閥座筒體內壁連接處，但其開孔位置不同。如果僅考慮內壓的作用，筋板傾斜放置時蝶閥閥座的承載能力較高。根據彈性設計準則，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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