利用ANSYS有限元分析軟件對(duì)超超臨界硬質(zhì)密封復(fù)合閥在不同高溫高壓工況下進(jìn)行模擬分析。得出該復(fù)合閥閥體在不同高溫高壓工況下溫度場(chǎng)，熱應(yīng)力場(chǎng)和壓應(yīng)力場(chǎng)的分布情況。結(jié)果表明該閥側(cè)閥體與管道連接出口處所受的溫度梯度，熱應(yīng)力梯度和壓應(yīng)力梯度均為最大，是整個(gè)復(fù)合閥閥體薄弱點(diǎn)。因此對(duì)側(cè)閥體出口處的數(shù)據(jù)監(jiān)控以保證復(fù)合閥安全的運(yùn)行尤為重要。

　　在電力行業(yè)的超臨界超超臨界系統(tǒng)中，閥門常處于高溫度和高流體壓力下。加上閥門經(jīng)常啟閉，密封面間的相互摩擦、擠壓、剪切以及流體的沖刷和腐蝕等作用，閥門極易受到損傷。更為惡劣的工況(如高溫、高壓、雜質(zhì)、顆粒等綜合作用)，會(huì)造成系統(tǒng)中的超超臨界閥門在短時(shí)間內(nèi)或在極少操作次數(shù)下出現(xiàn)內(nèi)漏。一直以來(lái)，火電系統(tǒng)使用的隔斷閥門大都是球閥、截止閥或閘閥。這些閥門在惡劣的工況條件下，通常幾個(gè)月內(nèi)就會(huì)出現(xiàn)內(nèi)漏。有的甚至裝機(jī)不到兩星期就失效了。這一難題，國(guó)內(nèi)外閥門制造廠家都在不斷改進(jìn)和探索。

　　本文采用ANSYS有限元析方法對(duì)一種超超臨界硬質(zhì)密封復(fù)合閥在不同溫度和壓力工況下的溫度場(chǎng)、熱應(yīng)力場(chǎng)、壓應(yīng)力進(jìn)行模擬研究，得出該閥門在不同工況時(shí)的溫度分布，熱應(yīng)力分布和壓應(yīng)力分布，并證實(shí)了P92號(hào)鋼材用于此種硬質(zhì)密封復(fù)合閥門完全能夠滿足超超臨界運(yùn)行工況。所得結(jié)論可以為該超超臨界硬質(zhì)密封閥門的設(shè)計(jì)和運(yùn)行提供參考。

1、超超臨界硬質(zhì)密封復(fù)合閥門的工作原理

　　超超臨界硬質(zhì)密封復(fù)合閥門(如圖1和圖2)的是將截止閥功能和球閥功能有機(jī)的結(jié)合為一體，通過(guò)聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)一體化控制。大大提高了閥門的使用壽命和使用安全系數(shù)。(1)復(fù)合閥開啟時(shí)：逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)手輪，此時(shí)凸輪不嚙合，主動(dòng)齒輪帶動(dòng)被動(dòng)齒輪向上移動(dòng)，當(dāng)截止閥桿上移到行程的98%時(shí)，被動(dòng)凸輪和被動(dòng)齒輪端面離合器嚙合，繼續(xù)旋轉(zhuǎn)手輪使得被動(dòng)凸輪旋轉(zhuǎn)90°，也就是球轉(zhuǎn)動(dòng)90°，球密封處于開啟位置。閥門處于全開狀態(tài)。(2)關(guān)閉時(shí)：順時(shí)針旋轉(zhuǎn)手輪，兩凸輪處于嚙合位置。當(dāng)被動(dòng)凸輪轉(zhuǎn)90°，使球密封處于密封位置，此時(shí)凸輪不嚙合。繼續(xù)旋轉(zhuǎn)手輪截止閥向下移動(dòng)，主動(dòng)齒輪帶動(dòng)被動(dòng)齒輪也向下移動(dòng)。當(dāng)截止閥桿不能再往下移動(dòng)，說(shuō)明截止密封關(guān)死，閥門處于全關(guān)狀態(tài)。

圖1 超超臨界硬質(zhì)密封復(fù)合閥剖面圖

1-主閥體 2，3-填料墊 4-截止閥 5-截止閥桿 6-閥桿套 20-球閥閥桿套 21-球閥閥桿 22-球閥 23-側(cè)閥體

圖2 超超臨界硬質(zhì)密封復(fù)合閥門三維圖

2、計(jì)算模型

　　2.1、溫度場(chǎng)計(jì)算模型

　　對(duì)于超超臨界硬質(zhì)密封復(fù)合閥(由于在整個(gè)的熱量傳遞過(guò)中，輻射熱相對(duì)較小，故忽略不計(jì))，其溫度場(chǎng)的計(jì)算主要包括：閥體本身的導(dǎo)熱，閥體內(nèi)壁與流體在邊界上的對(duì)流換熱。當(dāng)然閥門完全閉合時(shí)，閥門前后的流體是不流動(dòng)的，故可視為溫度恒定的穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱，只考慮閥體本身的熱量傳遞；在閥門開啟時(shí)，其內(nèi)部有高速流動(dòng)的高溫高壓流體流過(guò)，此時(shí)應(yīng)考慮閥體與高溫高壓流體在邊界處的熱對(duì)流。導(dǎo)熱問(wèn)題的微分方程為：

(1)

(2)

　　式中：ρ密度，kg/m3；λ：導(dǎo)熱系數(shù)，w/(m.k)；c：比熱容，KJ/(kg.℃)；tf，tw：流體和壁面的溫度，K；h：表面換熱系數(shù)，W/(m2.K)。提供的經(jīng)驗(yàn)式為依據(jù)計(jì)算閥體內(nèi)部表面換熱系數(shù)，即：

(3)

　　式中：d-特征長(zhǎng)度，mm；Nu-努賽爾數(shù)；λ-蒸汽導(dǎo)熱系數(shù)，w/(m.k)；Re-雷諾數(shù)；Pr-普朗特?cái)?shù)。計(jì)算中設(shè)定高溫高壓蒸汽流體的溫度為300℃，400℃，500℃，560℃，600℃和610℃，壓力為18MPa，25MPa，32MPa和48MPa。且閥體和管道外表面有較好的保溫材料包裹，保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)很小，可視為絕熱邊界。在閥體的入口、出口斷面上，溫度沿?cái)嗝娴姆ň�方向(軸向)變化不大，故可近似為絕熱邊界。

　　2.2、應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算模型

　　超超臨界硬質(zhì)密封復(fù)合閥閥體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力場(chǎng)可以從兩類：一是由于不均勻的溫度分布所引起的熱應(yīng)力，且溫度梯度越大，熱應(yīng)力就越大；第二類也是起決定作用的應(yīng)力，即由于閥內(nèi)流體壓力作用所導(dǎo)致的壓應(yīng)力，隨流體壓力的增大，閥體的壓應(yīng)力增大，且遠(yuǎn)大于熱應(yīng)力。可用相對(duì)應(yīng)的應(yīng)力函數(shù)ψ的四階偏導(dǎo)數(shù)方程來(lái)描述這類熱彈性問(wèn)題：

(4)

　　式中：E-彈性模量，Pa；β-熱膨脹系數(shù)，K-1；T-溫度，K

　　將函數(shù)Ψ沿不同方向進(jìn)行兩次微分，可以得到節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)的全部分量，然后利用Von Mises公式求得節(jié)點(diǎn)上的等效應(yīng)力，即：

(5)

　　式中：σ-應(yīng)力，Pa；r、z、θ-徑向、軸向和切向。

　　在ANSYS中進(jìn)行溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的耦合計(jì)算，只要分別定義好邊界條件，可以計(jì)算出最后的等效應(yīng)力場(chǎng)。在約束條件設(shè)定中，閥體流道邊界條件的設(shè)定是至關(guān)重要的事實(shí)上。相對(duì)于閥體所承受的溫差載荷和流體內(nèi)壓載荷而言，由系統(tǒng)傳遞作用在閥體上的平衡力所引起的閥體結(jié)構(gòu)內(nèi)附加應(yīng)力微不足道的，因此可以忽略不計(jì)。在計(jì)算由流體內(nèi)壓載荷所引起的應(yīng)力時(shí)，作了如下考慮：(1)閥體內(nèi)表面承受流體壓力，外表面為自由表面；(2)在加載過(guò)程中使用閥體所受合力為零(閥靜止)；(3)由閥體重力引起的應(yīng)力與其它載荷作用引起的應(yīng)力相比微不足道，故忽略不計(jì)。

3、幾何模型邊界條件及網(wǎng)格的劃分

　　采用Solidworks軟件對(duì)該超超臨界硬質(zhì)密封復(fù)合閥閥體進(jìn)行了實(shí)體建模，并導(dǎo)入至ANSYS軟件中進(jìn)行模擬分析，考慮到幾何形狀和物理模型的對(duì)稱性，計(jì)算中對(duì)閥體僅取半個(gè)模型進(jìn)行數(shù)值模擬。同時(shí)由于物理模型的復(fù)雜性，采用自由網(wǎng)格的劃分方式，并對(duì)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜處和重點(diǎn)位置進(jìn)行了局部的加密如圖所示。

圖3 閥體幾何模型及網(wǎng)格劃分

　　采用單元類型為Coupled Field Scalar Tet 98，網(wǎng)格是智能劃分的網(wǎng)格，尺寸分別為：閥體的精度等級(jí)為0.3，最大網(wǎng)格尺寸為0.005mm，網(wǎng)格總數(shù)為2626294個(gè)，閥體內(nèi)部流道的溫度分別為300℃，400℃，500℃，600℃和610，內(nèi)部壓力分別為18MPa，25MPa，32MPa和48MPa。超超臨界硬質(zhì)密封復(fù)合閥門所采用材料為合金鋼(P92)其相關(guān)物理參數(shù)如下表所示：

表1 P92鋼材物理參數(shù)

4、模擬結(jié)果及分析

　　溫度分別為300℃，400℃，500℃，560℃，600℃和610℃時(shí)，閥體溫度分布圖

圖4 300℃閥體溫度場(chǎng)分布圖

圖5 400℃閥體溫度場(chǎng)分布圖

圖6 500℃閥體溫度場(chǎng)分布圖

圖7 560℃閥體溫度場(chǎng)分布圖

圖8 600℃閥體溫度分布圖

圖9 610℃閥體溫度場(chǎng)分布圖

　　由溫度場(chǎng)的分布可以看出，閥體內(nèi)部的溫度分布主要受固體導(dǎo)熱的影響。管內(nèi)的流體不斷向流道管壁傳遞熱量，直至達(dá)到穩(wěn)定。隨著流體溫度不斷的增加，閥體的溫度沿著流道均勻增加，且不同溫高難度下的分布基本一致。側(cè)閥體與管道連接處的溫度梯度分布最大，出現(xiàn)很大的應(yīng)力集中，導(dǎo)致熱應(yīng)力作用最大，由此可以分析得出側(cè)閥體與管道連接處是整個(gè)閥體最薄弱的部分。

　　溫度分別為300℃，400℃，500℃，560℃和600℃時(shí)，閥體的熱應(yīng)力分布圖

圖10 300閥體熱應(yīng)力場(chǎng)分布圖

圖11 400℃閥體熱應(yīng)力場(chǎng)分布圖

圖12 500℃閥體熱應(yīng)力場(chǎng)分布圖

圖13 560℃閥體熱應(yīng)力場(chǎng)分布圖

圖14 600℃閥體熱應(yīng)力場(chǎng)分布圖

圖15 不同溫度下閥體最大熱應(yīng)力曲線圖

　　由熱應(yīng)力分布可以看出，沿著流道方向，隨著溫度的增加，閥體流道的熱應(yīng)力也隨之而增大，在側(cè)閥體與管道的接口處熱應(yīng)力的梯度最大，在流道入口的截止閥處彎腳處有較大的熱應(yīng)力負(fù)荷，共計(jì)兩處受到熱應(yīng)力較大。當(dāng)溫度大于500℃時(shí)，由最大熱應(yīng)力分布曲線圖可以看出，閥體所受到的最大熱應(yīng)力增大趨于平緩。

　　壓力分別為18MPa，25MPa，32MPa和48MPa時(shí)閥體的壓應(yīng)力分布圖

圖16 18MPa閥體壓應(yīng)力分布圖

圖17 25MPa閥體壓應(yīng)力分布圖

圖18 32MPa閥體壓應(yīng)力分布圖

圖19 48MPa閥體壓應(yīng)力分布圖

圖20 不同壓力下最大壓應(yīng)力曲線圖

　　此時(shí)高壓的流體將對(duì)閥體進(jìn)行瞬態(tài)的高壓熱沖擊。該高溫高壓閥門長(zhǎng)期的在這種環(huán)境下運(yùn)行，閥體的流道壓力增大時(shí)，整個(gè)閥體的壓應(yīng)力增大較為明顯。在出口段側(cè)閥體所受到的壓應(yīng)力梯度最大，此處的壓應(yīng)力值最大。隨著壓力的不斷增大，必然給閥體的整個(gè)運(yùn)行帶來(lái)一定的安全隱患。相比熱應(yīng)力，壓應(yīng)力的值遠(yuǎn)大于熱應(yīng)力影響。即閥體的耦合應(yīng)力分布以壓應(yīng)力分布為主，因此對(duì)側(cè)閥體出口處的溫度和壓力分布進(jìn)行監(jiān)控，可以為復(fù)合閥門的安全運(yùn)行提供保障。

5、閥體材料安全性能評(píng)估

　　超超臨界硬質(zhì)密封復(fù)合閥長(zhǎng)期工作在高溫高壓環(huán)境中，其運(yùn)行受到強(qiáng)烈的熱沖擊，其安全性能必須進(jìn)行評(píng)估。參考閥體材料P92號(hào)鋼材壓力許用值，得出如下圖：

圖21 不同工況下實(shí)際應(yīng)力和許用應(yīng)力對(duì)比圖

　　由圖7可以看出在設(shè)定的不同工況溫度下，閥體的應(yīng)力值均在許用應(yīng)力值范圍內(nèi)。當(dāng)溫度和壓力達(dá)到超超臨界，閥體最大實(shí)際應(yīng)力值不到20MPa，遠(yuǎn)小于P92鋼材所對(duì)應(yīng)的許用應(yīng)力值99.2MPa實(shí)際應(yīng)力值都遠(yuǎn)小于P92的基本許用應(yīng)力值的3倍，因此該閥體選材的安全性能較高，符合超超臨界狀態(tài)的電廠閥門選材使用要求。

6、結(jié)論

　　(1)本文建立了超超臨界硬質(zhì)密封復(fù)合閥的三維模型，并對(duì)閥體的進(jìn)行了熱應(yīng)力耦合計(jì)算，較好的模擬了閥體的在高溫高壓工況下的溫度場(chǎng)，熱應(yīng)力場(chǎng)和壓力場(chǎng)的分布情況，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況較為吻合。

　　(2)在高溫高壓的雙重作用下，側(cè)閥體與管道連接出口處的溫度分布梯度，熱應(yīng)力分布和壓應(yīng)力分布均為最大，應(yīng)力集中大，此處為閥體能否安全有效運(yùn)行的可靠保證。復(fù)合閥受到的熱應(yīng)力相對(duì)壓應(yīng)力來(lái)說(shuō)，基本可以忽略，可以推斷出高壓力是對(duì)復(fù)合閥能否安全運(yùn)行的重要依據(jù)。

　　(3)由P92號(hào)鋼材生產(chǎn)的這種特殊高溫高壓復(fù)合閥能夠滿足超超臨界電廠閥門的使用需求，該種超超臨界硬質(zhì)密封復(fù)合閥特有功能能給電廠的安全運(yùn)行提供雙重保障。