高溫高壓直角截止閥溫度場模擬及分析分析

高溫高壓直角截止閥溫度場模擬及分析分析高溫高壓直角截止閥由于開閉過程中密封面之間摩擦力小，比較耐用，開啟高度不大，制造容易，維修方便，不僅適用于中低壓，而且適用于高壓，已成為工業(yè)上使用最廣泛的一種閥門。本文主要利用商用有限元軟件ANSYS，模擬研究了工業(yè)用高溫高壓(1800K～1900K，2MPa～6MPa)直角截止閥的關(guān)閉和開啟狀態(tài)時，流體介質(zhì)、閥體和閥芯的溫度場分布。研究發(fā)現(xiàn)，盡管1.6m/s的循環(huán)冷卻水，可以較好的冷卻關(guān)閉狀態(tài)下高溫高壓截止閥的整體溫度，絕大部分溫度均接近于室溫(包括閥芯內(nèi)壁)，介質(zhì)入口處最高溫度也只有492.3K。反觀開啟狀態(tài)下，閥芯和閥體的溫度場和峰值溫度均明顯升高，最高可達1350K，閥芯內(nèi)壁溫度也明顯高于室溫。因此，為保證開啟狀態(tài)下截止閥在高溫高壓環(huán)境中，可靠穩(wěn)定工作，建議適當提高循環(huán)冷卻水的流速，并適當增加閥體和閥芯的壁厚。此外，由于截止閥每周期內(nèi)關(guān)閉時間較長(達4～6小時)，為降低冷卻成本，防止浪費能源，應對循環(huán)水冷卻系統(tǒng)開展智能控制，當截止閥處于關(guān)閉狀態(tài)時，可實現(xiàn)周期性降低循環(huán)水流速，滿足不同階段的冷卻需求。

隨著社會的發(fā)展和科技的進步，各種輸氣和輸液管路系統(tǒng)被廣泛應用。閥門是管路系統(tǒng)中控制流動方向、流量和壓強等的必不可少的控制元件。閥門為了到達其控制功能而需采用復雜的內(nèi)流道形式，這往往造成了閥門部位流動速度和壓強的強烈變化，并由此引發(fā)局部壓強損失、空化、振動和噪聲等負面問題，從而影響閥門流體動力性能、安靜性能等重要使用指標，甚至會造成閥門本身和鄰近管路及設備的疲勞破壞。

本文所研究的高溫高壓直角截止閥，也叫截門，是使用最廣泛的一種閥門，它之所以廣受歡迎，是由于開閉過程中密封面之間摩擦力小，比較耐用，開啟高度不大，制造容易，維修方便，不僅適用于中低壓，而且適用于高壓。它的閉合原理是，依靠閥杠壓力，使閥瓣密封面與閥座密封面嚴密貼合，阻止介質(zhì)流通。截止閥屬于強制密封式閥門，所以在閥門關(guān)閉時，必須向閥瓣施加壓力，以強制密封面不泄漏。當介質(zhì)由閥瓣下方進入閥門時，操作力所需克服的阻力，是閥桿和填料的摩擦力與由介質(zhì)的壓力所產(chǎn)生的推力，從自密封的閥門出現(xiàn)以后，截止閥的介質(zhì)流向就改由閥瓣上方進入閥腔，這時，在介質(zhì)壓力作用下，關(guān)閥門的力小，而開閥門的力大，閥桿的直徑可以相應地減小。同時，在介質(zhì)作用下，這種形式的閥門也較嚴密。1、構(gòu)造

角式迷宮截止閥主要由氣缸、支架、銷軸、填料壓蓋、填料軸套、支架、閥芯和閥體等部分組成。直角截止閥的有限元分析：

截止閥的設計參數(shù)：

(1)閥桿閥芯材質(zhì)擬選擇INCONEL625；

(2)角閥的構(gòu)造，口徑DN150，工作壓力6MPa；

(3)工況：空氣介質(zhì)從角閥底進側(cè)出。開啟狀態(tài)下工作溫度1800K，工作壓力6MPa，空氣流量3kg/s，工作時間60s；關(guān)閉狀態(tài)下介質(zhì)恒溫1900K，工作壓力2MPa，持續(xù)時間4~6小時。

本文通過利用商用有限元軟件ANSYS，計算分析角閥各部件(重點為角閥閥桿最底部的球面)內(nèi)外壁的溫度場分布，然后根據(jù)溫度場及峰值溫度位置等信息，通過調(diào)整角閥材料和壁厚或者加大循環(huán)水流速，最終實現(xiàn)直角截止閥滿足高溫高壓的工作要求，這對指導工業(yè)用高溫高壓直角截止閥的設計制造具有重要的指導意義。2、數(shù)值模擬和結(jié)果分析

首先，我們分析一下高溫高壓直角截止閥處于關(guān)閉狀態(tài)時，各部件內(nèi)外壁的具體溫度分布以及最高溫度位置。

(1)關(guān)閉狀態(tài)：

循環(huán)水入口溫度=25℃；循環(huán)水冷卻流速=1.6m/s；空氣介質(zhì)溫度=1900K；空氣介質(zhì)入口質(zhì)量流率=0kg/s；空氣介質(zhì)內(nèi)部靜態(tài)壓力=2MPa

圖1所示為關(guān)閉狀態(tài)下，閥門整體中截面(含空氣介質(zhì)和冷卻水)的溫度分布云圖。如圖1所示，發(fā)現(xiàn)閥體、閥芯與流體接觸表面溫度場均分布均勻，整體溫度較低。說明關(guān)閉狀態(tài)下，當前循環(huán)冷卻水的冷卻能力足以冷卻直角截止閥在1900K和2MPa壓力工況下可靠工作。

圖1.關(guān)閉狀態(tài)，流體介質(zhì)和閥門中截面溫度分布圖

此外，關(guān)閉狀態(tài)下，介質(zhì)與閥體整體接觸表面最高溫度為429.3K，說明冷卻水的冷卻效果明顯，可保證關(guān)閉狀態(tài)下，閥門整體溫度不致過高。此外，閥體接近冷卻水的部位溫度基本接近室溫。越接近介質(zhì)入口位置處，閥體內(nèi)外壁溫度越高，最高達429.3K。值得注意的是，閥體中的連接法蘭部位，由于沒有直接循環(huán)水的強制冷卻效果，導致此處溫度偏高，達363.6K左右。而且，關(guān)閉狀態(tài)下，閥芯外壁最大溫度等于393.6K，出現(xiàn)于介質(zhì)流體中軸線與閥芯外壁的接觸部位，但是閥芯內(nèi)壁最高溫度卻接近于25oC，這主要是冷卻水的強制冷卻的結(jié)果。

接下來，我們分析了高溫高壓直角截止閥由關(guān)閉狀態(tài)轉(zhuǎn)變成開啟狀態(tài)時，循環(huán)冷卻水的流速保持不變。各部件內(nèi)外壁的具體溫度分布以及最高溫度位置。

圖2.開啟狀態(tài)閥門整體中截面溫度場分布云圖

(2)開啟狀態(tài)：

循環(huán)水入口溫度=25℃；循環(huán)水冷卻流速=1.6m/s；空氣介質(zhì)溫度=1800K；空氣介質(zhì)入口質(zhì)量流率=3kg/s；空氣介質(zhì)內(nèi)部壓力=6MPa。圖2所示分別為開啟狀態(tài)下，截止閥中截面(含閥體和介質(zhì))工作時的溫度場云圖。如圖2所示，開啟狀態(tài)時，閥門整體溫度分布均勻，溫介質(zhì)出口處溫度較高，出口處與高溫介質(zhì)接觸的閥體管壁內(nèi)側(cè)溫度部分均已超過1000K，由于循環(huán)水的強制冷卻作用，溫度傳導對閥門遠端區(qū)域基本無影響。

分析發(fā)現(xiàn)，開啟狀態(tài)下，高溫介質(zhì)出口處閥體內(nèi)表面溫度最高，最高達1350K。盡管循環(huán)水流速到達1.6m/s，但閥體與介質(zhì)接觸部位的內(nèi)外壁溫度均明顯高于室溫，溫度偏高，所以此時的閥門的服役可靠性非常值得關(guān)注。

開啟狀態(tài)下，閥芯外壁最大溫度達735.1K，閥芯內(nèi)壁最大溫度也在500K左右，位于與介質(zhì)直接接觸的閥芯圓頭位置。盡管開啟狀態(tài)下的介質(zhì)初始溫度(1800K)低于關(guān)閉狀態(tài)下介質(zhì)的初始溫度(1900K)，但是開啟狀態(tài)下閥芯的峰值溫度均明顯高于關(guān)閉狀態(tài)下的閥芯的峰值溫度。這可能是由于開啟狀態(tài)下介質(zhì)的流體壓強(6MPa)高于關(guān)閉狀態(tài)下介質(zhì)的流體壓強(2MPa)，使得開啟狀態(tài)下，介質(zhì)高速流過閥體和閥芯，不斷引入新的熱量，使得循環(huán)水的冷卻效果下降，并最終到達熱動態(tài)平衡。而關(guān)閉狀態(tài)下流體介質(zhì)處于應處于靜止穩(wěn)定狀態(tài)，較少引入新的熱量，介質(zhì)與閥體、閥芯和循環(huán)水間到達靜態(tài)熱平衡。因此，開啟狀態(tài)下，閥體和閥芯的峰值溫度和整體溫度場分布偏高。3、討論

通過比較關(guān)閉狀態(tài)和開啟狀態(tài)下，直角截止閥閥體和閥芯的溫度場和峰值溫度，我們發(fā)現(xiàn)，盡管1.6m/s的循環(huán)冷卻水，可以較好的冷卻關(guān)閉狀態(tài)下高溫高壓截止閥的整體溫度，絕大部分溫度均接近于室溫(包括閥芯內(nèi)壁)，介質(zhì)入口處最高溫度也只有492.3K。反觀開啟狀態(tài)下，閥芯和閥體的溫度場和峰值溫度均明顯升高，最高可達1350K，閥芯內(nèi)壁溫度也明顯高于室溫。因此，為保證開啟狀態(tài)下截止閥在高溫高壓環(huán)境中，可靠穩(wěn)定工作，建議適當提高循環(huán)冷卻水的流速，并適當增加閥體和閥芯的壁厚。但由于截止閥每周期內(nèi)關(guān)閉時間較長(達4～6小時)，為降低冷卻成本，防止浪費能源，應對循環(huán)水冷卻系統(tǒng)開展智能控制，當截止閥處于關(guān)閉狀態(tài)時，可實現(xiàn)周期性降低循環(huán)水流速，滿足不同階段的冷卻需求。4、結(jié)論

本文利用商用有限元軟件ANSYS，模擬研究了工業(yè)用高溫高壓(1800K～1900K，2MPa～6MPa)直角截止閥的關(guān)閉和開啟狀態(tài)時，流體介質(zhì)、閥體和閥芯的溫度場分布。通過模擬結(jié)果比照，我們發(fā)現(xiàn)，循環(huán)冷卻水(1.6m/s)可以較好的滿足關(guān)閉狀態(tài)下截止閥的冷卻要求，除冷卻水未流經(jīng)的