電動高溫閘閥閥體熱特性分析與優化設計

楊偉東 張躍強 張早校

(西安交通大學化學工程與技術學院)

電動高溫閘閥閥體熱特性分析與優化設計

楊偉東*張躍強 張早校

(西安交通大學化學工程與技術學院)

基于Ansys Workbench的熱-構耦合對閥體結構進行了熱特性分析，并對板筋尺寸進行了優化設計。首先，分析了正常工況下閥體的物理模型，可近似地看作變面積式肋片導熱問題。其次，在Ansys Workbench中通過材料的添加、網格的劃分和邊界條件的設定，模擬了高溫電動閘閥閥體的實際工況，求解出了高溫電動閘閥在正常工況下，閥體溫度、熱應變、總體變形和等效應力的分布。最后，通過對板筋尺寸的優化設計，得到了板筋尺寸δ和H與熱應變、總體變形和等效應力最大值的變化關系，最終得到了板筋優化后的尺寸。

電動高溫閘閥 板筋 熱-構耦合 優化設計

電動高溫閘閥是一種閘板式單面金屬硬密封切斷式耐高溫閘閥。主要用在催化裂化裝置的煙氣輪機入口管線，正常操作時全開，出故障時快速關閉，是煙氣切斷和緊急停車自動聯鎖的關鍵閥門[1]。一般情況下，動作次數較少。20世紀90年代國內開始關注電動高溫閘閥的設計問題[2,3]。常用的結構中，閥體和閥蓋采用鉚焊結構，密封形式采用楔式雙閘板密封結構[4]或單面硬密封配合蒸汽輔助密封等。但是由于當時缺少計算機輔助設計能力，未對結構進行優化。特別是板筋部分，在使用一定年限后，會出現焊縫開裂情況，嚴重影響了正常生產，并且易產生安全隱患。為此，筆者利用Ansys Workbench熱-結構耦合分析方法對電動高溫閘閥閥體進行熱特性分析，確定板筋處的應變、應力分布，并根據計算結果利用Workbench的參數優化模塊對板筋的設計進行優化。

1 電動高溫閘閥閥體模型

為了簡化模型方便計算機模擬，假設：煙氣的溫度與流速分布已充分發展，從入口到出口的煙氣溫度均保持在700℃且流速穩定；閥體與保溫層接觸良好，不考慮接觸熱阻；環境溫度設置為22℃；系統處于熱穩態，即只對模型進行穩態傳熱分析[5]。

電動高溫閘閥的閥體如圖1所示，熱特性問題可近似看作變面積的肋片導熱問題。由于煙氣溫度保持在700℃且流速穩定，可以認為與煙氣接觸的圓管管壁溫度為700℃且保持恒溫，與圓管管壁接觸的部位可以看作肋根。

圖1 閥體結構示意圖

由穩態微分方程可得[5]：

(1)

建立肋片中溫度場的數學描述，式(1)可化簡為：

(2)

2 電動高溫閘閥閥體的熱-結構耦合分析

2.1穩態傳熱

可利用Ansys Workbench對模型進行穩態傳熱分析。在穩態熱中任一節點的溫度不隨時間變化，穩態熱分析的能量平衡方程為：

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

(3)

其中，[K]為傳導矩陣，包含導熱系數、對流系數、輻射率和形狀系數；{T}為節點溫度向量；{Q}為節點熱流率向量，包含生成熱。在Ansys Workbench中利用模型幾何參數、材料性能參數和所施加的邊界條件，生成[K]、{T}和{Q}。

2.2確定邊界條件

在Ansys Workbench中，邊界條件是獲得分析結果的定解條件，熱分析的邊界條件有溫度、對流及輻射等。結構分析的邊界條件有固定約束、位移約束和剛性約束。根據實際工況，可以單獨一項或幾項組合，邊界條件的準確性對熱分析結果有很大的影響。

由閥體的物理模型可知，肋根與肋片主要通過熱傳導方式進行熱量傳遞。導熱問題有3類常見的邊界條件：規定了邊界上的溫度值，稱為第一類邊界條件；規定了邊界上的熱流密度值，稱為第二類邊界條件；規定了邊界上物體與周圍流體間的表面傳熱系數h和周圍流體的溫度t，稱為第三類邊界條件。

電動高溫閘閥的使用溫度為700℃，使用壓力0.3MPa，通過的介質為帶有催化劑顆粒的煙氣。根據實際工況，筆者以第一類邊界條件進行模擬計算，即取肋根處溫度恒為700℃。

閥體的外表面換熱是輻射與自然對流換熱，輻射換熱條件是環境溫度th=22℃和外壁的表面黑度ε=0.65(普通鋼板材料)。自然對流換熱則需要設定環境溫度和換熱狀態，在Ansys Workbench中的Convection可進行相關設置。輻射則可根據外壁的表面黑度和環境溫度，在Radiation中進行設置。

2.3材料的選擇

根據電動高溫閘閥的使用工況，要求材料耐高溫耐腐蝕[6～8]。選取奧氏體不銹鋼,具體牌號為ZG03Cr19Ni11Mo3，其化學成分見表1。其屈服強度σs=210MPa，抗拉強度σb=480MPa，斷面收縮率δ=30%。根據材料的特性在庫中添加即可。

表1 材料化學成分 wt%

2.4網格劃分

為了提高計算精度且節約計算資源，對模型進行網格劃分，并對4塊板筋進行局部網格細化。有限元模型中包含的節點個數為227 993，單元數為61 027，網格質量度量指數skewness為0.18，可以滿足精度要求。有限元網格劃分模型如圖2所示。

圖2 網格劃分示意圖

2.5求解

將模型導入Ansys Workbench，進行添加材料、網格劃分、添加邊界條件，得出以下結果，為后續的板筋優化提供依據。

通過對閥體模型的計算，得出溫度變化云圖如圖3所示。由圖3可以看出，閥體上的溫度在過煙道壁面最高，距離熱源越遠溫度越低，在最遠處溫度為35℃左右，接近周圍室溫，由溫度分布可以看出符合肋片的物理模型。

圖3 閥體溫度變化云圖

得到熱應變云圖如圖4所示。熱應變主要是由溫度變化引起的，其變化和溫度云圖相似，由圖4可以看出熱應變的值較小。但需要注意的是，板筋與過煙道焊縫處的熱應變還是比較大的，如果焊縫質量出現問題，將引起板筋的開裂，所以板筋處的熱應變是需要得到控制的。

圖4 熱應變云圖

得到的等效應力云圖如圖5所示。由圖5可以看出，最大應力出現在過煙道和板筋的交界處，達950MPa左右，遠超出了材料的強度極限480MPa，這也是造成板筋開裂的一個重要因素，需要進行設計優化。

圖5 等效應力云圖

得到的總體變形量云圖如圖6所示。由圖6可以看出最大變形發生在過煙道處即δmax=13.90mm，板筋處的最大變形δmax=3.42mm左右。這主要是因為過煙道和板筋處的溫度比較高，受熱膨脹造成變形。而由于板筋和圓柱形煙道被焊接在一起，使煙道受熱不能自由膨脹，所以帶動板筋發生了變形。所以可以說熱應力和結構應力最終引起了整個閥體的變形，體現在了總變形上。板筋的變形是造成板筋開裂的一個直接原因。

圖6 總體變形量云圖

通過以上計算分析可知，由于閥體溫度變化所引起的熱應力和閥體所受的結構應力共同產生的變形和應變是板筋開裂的主要原因。

3 優化設計

通過利用Ansys Workbench對閥體的熱-構耦合，分析了板筋的開裂原因。筆者利用Ansys Workbench中的Design Exploration模塊，通過對板筋尺寸參數化，以期減少板筋所受的熱應變和等效應力，從而達到優化板筋設計的目的。板筋尺寸如圖7所示。

圖7 板筋尺寸示意圖

由于板筋尺寸L為閥體安裝尺寸，不能改變，所以以尺寸H和板筋厚度δ為參數變量進行求解。

3.1計算結果

在Design Exploration中求解的結果見表2。

表2 板筋參數化求解結果

注：P4為總體變形量最大值(mm)；P5為熱應變最大值(mm/mm)；P6為等效應力最大值(MPa)。

3.1.1板筋尺寸與總體變形量最大值的關系

圖8為板筋的厚度δ與總體變形量最大值的關系，可以看出隨著板筋厚度的增加總體變形量最大值越來越大。

圖9為板筋的尺寸H與總體變形量最大值的關系，可以看出隨著板筋尺寸的增加，總體變形量最大值先減小后增大。

圖10為板筋厚度δ、板筋的尺寸H和總體變形量最大值的關系，可以看出，最下面的一組線所對應的值為所要求相對于總體變形量的最優解，由表2可以得出為(22.5,180)。

圖8 板筋厚度與總體變形量最大值的關系

圖9 板筋尺寸與總體變形量最大值的關系

圖10 板筋尺寸與總體變形量最大值的關系

3.1.2板筋尺寸與熱應變最大值的關系

圖11為板筋的尺寸δ、H與熱應變最大值的關系，可以看出板筋尺寸H對熱應變最大值無明

顯影響；隨板筋的厚度δ增大，熱應變最大值先增大后減小。由表2可得出相對于熱應力最大值的最優解δ=25。

圖11 板筋厚度與熱應變最大值的關系

3.1.3板筋尺寸與等效應力最大值的關系

圖12為板筋尺寸δ和H與等效應力最大值的關系，可以看出，δ和H所對應的等效應力最大值為一系列散點，很難得出具體的關系。由表2可知，相對于等效應力最大值可得最優解為(27.5,180)。

圖12 板筋尺寸與等效應力最大值的關系

3.2板筋尺寸δ與H的確定

由表2可以看出，板筋尺寸δ和H對熱應變最大值的影響較小，相差0.000 01。所以主要考慮對總體變形量最大值和等效應力最大值的影響，選擇第二組或第三組解為最優解。

由圖5可以看出，閥體的最大等效應力點發生在板筋和煙道管壁的焊縫處，屬于安全隱患，必須對之進行相應的優化。由圖6可以看出，板筋的最大變形較小，并且由表2可以看出，第二組和第三組的總體變形量最大值相差并不是很大。

由以上分析可知，選擇第三組解(27.5,180)比較合理。即δ=55mm，H=180mm。

4 結論

4.1高溫電動閘閥在正常工況下，閥體溫度在過煙道壁面處最高，距離熱源越遠溫度越低，在最遠處接近室溫。熱應變和溫度變化趨勢一致，特別需要控制筋板處的熱應變。等效應力出現在煙道和筋板處，最大達950MPa，超出了材料的強度極限。

4.2閥體溫度變化所引起的熱應力和閥體所受的結構應力共同產生的變形和應變是板筋開裂的主要原因。分析得出了板筋尺寸δ和H與熱應變、總體變形、等效應力最大值的變化關系。

4.3通過利用Ansys Workbench中的Design Exploration模塊，求解出了板筋尺寸的優化解，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

*楊偉東，男，1989年5月生，碩士研究生。陜西省西安市，710049。

TQ055.8+1

A

0254-6094(2016)03-0324-06

2015-08-20)