超超臨界硬質(zhì)密封復合閥閥體溫度場(chǎng)和應力場(chǎng)模擬研究
利用ANSYS有限元分析軟件對超超臨界硬質(zhì)密封復合閥在不同高溫高壓工況下進(jìn)行模擬分析。得出該復合閥閥體在不同高溫高壓工況下溫度場(chǎng)，熱應力場(chǎng)和壓應力場(chǎng)的分布情況。結果表明該閥側閥體與管道連接出口處所受的溫度梯度，熱應力梯度和壓應力梯度均為最大，是整個(gè)復合閥閥體薄弱點(diǎn)。因此對側閥體出口處的數據監控以保證復合閥安全的運行尤為重要。
在電力行業(yè)的超臨界超超臨界系統中，閥門(mén)常處于高溫度和高流體壓力下。加上閥門(mén)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(mén)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 )造成系統中的超超臨界閥門(mén)在短時(shí)間內或在極少操作次數下出現內漏。一直以來(lái)，火電系統使用的隔斷閥門(mén)大都是球閥、截止閥或閘閥。這些閥門(mén)在惡劣的工況條件下，通常幾個(gè)月內就會(huì )出現內漏。有的甚至裝機不到兩星期就失效了。這一難題，國內外閥門(mén)制造廠(chǎng)家都在不斷改進(jìn)和探索。
本文采用ANSYS有限元析方法對一種超超臨界硬質(zhì)密封復合閥在不同溫度和壓力工況下的溫度場(chǎng)、熱應力場(chǎng)、壓應力進(jìn)行模擬研究，得出該閥門(mén)在不同工況時(shí)的溫度分布，熱應力分布和壓應力分布，并證實(shí)了P92號鋼材用于此種硬質(zhì)密封復合閥門(mén)完全能夠滿(mǎn)足超超臨界運行工況。所得結論可以為該超超臨界硬質(zhì)密封閥門(mén)的設計和運行提供參考。
1、超超臨界硬質(zhì)密封復合閥門(mén)的工作原理
超超臨界硬質(zhì)密封復合閥門(mén)(如圖1和圖2)的是將截止閥功能和球閥功能有機的結合為一體，通過(guò)聯(lián)動(dòng)機構實(shí)現一體化控制。大大提高了閥門(mén)的使用壽命和使用安全系數。(1)復合閥開(kāi)啟時(shí)：逆時(shí)針旋轉手輪，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，繼續旋轉手輪使得被動(dòng)凸輪旋轉90°，也就是球轉動(dòng)90°，球密封處于開(kāi)啟位置。閥門(mén)處于全開(kāi)狀態(tài)。(2)關(guān)閉時(shí)：順時(shí)針旋轉手輪，兩凸輪處于嚙合位置。當被動(dòng)凸輪轉90°，使球密封處于密封位置，此時(shí)凸輪不嚙合。繼續旋轉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)。當截止閥桿不能再往下移動(dòng)，說(shuō)明截止密封關(guān)死，閥門(mén)處于全關(guān)狀態(tài)。
圖1 超超臨界硬質(zhì)密封復合閥剖面圖
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-側閥體
圖2 超超臨界硬質(zhì)密封復合閥門(mén)三維圖
2、計算模型
2.1、溫度場(chǎng)計算模型
對于超超臨界硬質(zhì)密封復合閥(由于在整個(gè)的熱量傳遞過(guò)中，輻射熱相對較小，故忽略不計)，其溫度場(chǎng)的計算主要包括：閥體本身的導熱，閥體內壁與流體在邊界上的對流換熱。當然閥門(mén)完全閉合時(shí)，閥門(mén)前后的流體是不流動(dòng)的，故可視為溫度恒定的穩態(tài)導熱，只考慮閥體本身的熱量傳遞；在閥門(mén)開(kāi)啟時(shí)，其內部有高速流動(dòng)的高溫高壓流體流過(guò)，此時(shí)應考慮閥體與高溫高壓流體在邊界處的熱對流。導熱問(wèn)題的微分方程為：
(1)
(2)
式中：ρ密度，kg/m3；λ：導熱系數，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，W/(m2.K)。提供的經(jīng)驗式為依據計算閥體內部表面換熱系數，即：
(3)
式中：d-特征長(cháng)度，mm；Nu-努賽爾數；λ-蒸汽導熱系數，w/(m.k)；Re-雷諾數；Pr-普朗特數。計算中設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，保溫材料的導熱系數很小，可視為絕熱邊界。在閥體的入口、出口斷面上，溫度沿斷面的法線(xiàn)方向(軸向)變化不大，故可近似為絕熱邊界。
2.2、應力場(chǎng)計算模型
超超臨界硬質(zhì)密封復合閥閥體結構的應力場(chǎng)可以從兩類(lèi)：一是由于不均勻的溫度分布所引起的熱應力，且溫度梯度越大，熱應力就越大；第二類(lèi)也是起決定作用的應力，即由于閥內流體壓力作用所導致的壓應力，隨流體壓力的增大，閥體的壓應力增大，且遠大于熱應力�？捎孟鄬膽瘮�ψ的四階偏導數方程來(lái)描述這類(lèi)熱彈性問(wèn)題：
(4)
式中：E-彈性模量，Pa；β-熱膨脹系數，K-1；T-溫度，K
將函數Ψ沿不同方向進(jìn)行兩次微分，可以得到節點(diǎn)的應力狀態(tài)的全部分量，然后利用Von Mises公式求得節點(diǎn)上的等效應力，即：
(5)
式中：σ-應力，Pa；r、z、θ-徑向、軸向和切向。
在A(yíng)NSYS中進(jìn)行溫度場(chǎng)和應力場(chǎng)的耦合計算，只要分別定義好邊界條件，可以計算出最后的等效應力場(chǎng)。在約束條件設定中，閥體流道邊界條件的設定是至關(guān)重要的事實(shí)上。相對于閥體所承受的溫差載荷和流體內壓載荷而言，由系統傳遞作用在閥體上的平衡力所引起的閥體結構內附加應力微不足道的，因此可以忽略不計。在計算由流體內壓載荷所引起的應力時(shí)，作了如下考慮：(1)閥體內表面承受流體壓力，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力與其它載荷作用引起的應力相比微不足道，故忽略不計。
3、幾何模型邊界條件及網(wǎng)格的劃分
采用Solidworks軟件對該超超臨界硬質(zhì)密封復合閥閥體進(jìn)行了實(shí)體建模，并導入至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稱(chēng)性，計算中對閥體僅取半個(gè)模型進(jìn)行數值模擬。同時(shí)由于物理模型的復雜性，采用自由網(wǎng)格的劃分方式，并對結構的復雜處和重點(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(lèi)型為Coupled Field Scalar Tet 98，網(wǎng)格是智能劃分的網(wǎng)格，尺寸分別為：閥體的精度等級為0.3，最大網(wǎng)格尺寸為0.005mm，網(wǎng)格總數為2626294個(gè)，閥體內部流道的溫度分別為300℃，400℃，500℃，600℃和610，內部壓力分別為18MPa，25MPa，32MPa和48MPa。超超臨界硬質(zhì)密封復合閥門(mén)所采用材料為合金鋼(P92)其相關(guān)物理參數如下表所示：
表1 P92鋼材物理參數
4、模擬結果及分析
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，閥體內部的溫度分布主要受固體導熱的影響。管內的流體不斷向流道管壁傳遞熱量，直至達到穩定。隨著(zhù)流體溫度不斷的增加，閥體的溫度沿著(zhù)流道均勻增加，且不同溫高難度下的分布基本一致。側閥體與管道連接處的溫度梯度分布最大，出現很大的應力集中，導致熱應力作用最大，由此可以分析得出側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)，閥體的熱應力分布圖
圖10 300閥體熱應力場(chǎng)分布圖
圖11 400℃閥體熱應力場(chǎng)分布圖
圖12 500℃閥體熱應力場(chǎng)分布圖
圖13 560℃閥體熱應力場(chǎng)分布圖
圖14 600℃閥體熱應力場(chǎng)分布圖
圖15 不同溫度下閥體最大熱應力曲線(xiàn)圖
由熱應力分布可以看出，沿著(zhù)流道方向，隨著(zhù)溫度的增加，閥體流道的熱應力也隨之而增大，在側閥體與管道的接口處熱應力的梯度最大，在流道入口的截止閥處彎腳處有較大的熱應力負荷，共計兩處受到熱應力較大。當溫度大于500℃時(shí)，由最大熱應力分布曲線(xiàn)圖可以看出，閥體所受到的最大熱應力增大趨于平緩。
壓力分別為18MPa，25MPa，32MPa和48MPa時(shí)閥體的壓應力分布圖
圖16 18MPa閥體壓應力分布圖
圖17 25MPa閥體壓應力分布圖
圖18 32MPa閥體壓應力分布圖
圖19 48MPa閥體壓應力分布圖
圖20 不同壓力下最大壓應力曲線(xiàn)圖
此時(shí)高壓的流體將對閥體進(jìn)行瞬態(tài)的高壓熱沖擊。該高溫高壓閥門(mén)長(cháng)期的在這種環(huán)境下運行，閥體的流道壓力增大時(shí)，整個(gè)閥體的壓應力增大較為明顯。在出口段側閥體所受到的壓應力梯度最大，此處的壓應力值最大。隨著(zhù)壓力的不斷增大，必然給閥體的整個(gè)運行帶來(lái)一定的安全隱患。相比熱應力，壓應力的值遠大于熱應力影響。即閥體的耦合應力分布以壓應力分布為主，因此對側閥體出口處的溫度和壓力分布進(jìn)行監控，可以為復合閥門(mén)的安全運行提供保障。
5、閥體材料安全性能評估
超超臨界硬質(zhì)密封復合閥長(cháng)期工作在高溫高壓環(huán)境中，其運行受到強烈的熱沖擊，其安全性能必須進(jìn)行評估。參考閥體材料P92號鋼材壓力許用值，得出如下圖：
圖21 不同工況下實(shí)際應力和許用應力對比圖
由圖7可以看出在設定的不同工況溫度下，閥體的應力值均在許用應力值范圍內。當溫度和壓力達到超超臨界，閥體最大實(shí)際應力值不到20MPa，遠小于P92鋼材所對應的許用應力值99.2MPa實(shí)際應力值都遠小于P92的基本許用應力值的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(chǎng)閥門(mén)選材使用要求。
6、結論
(1)本文建立了超超臨界硬質(zhì)密封復合閥的三維模型，并對閥體的進(jìn)行了熱應力耦合計算，較好的模擬了閥體的在高溫高壓工況下的溫度場(chǎng)，熱應力場(chǎng)和壓力場(chǎng)的分布情況，計算結果與實(shí)際情況較為吻合。
(2)在高溫高壓的雙重作用下，側閥體與管道連接出口處的溫度分布梯度，熱應力分布和壓應力分布均為最大，應力集中大，此處為閥體能否安全有效運行的可靠保證。復合閥受到的熱應力相對壓應力來(lái)說(shuō)，基本可以忽略，可以推斷出高壓力是對復合閥能否安全運行的重要依據。
(3)由P92號鋼材生產(chǎn)的這種特殊高溫高壓復合閥能夠滿(mǎn)足超超臨界電廠(chǎng)閥門(mén)的使用需求，該種超超臨界硬質(zhì)密封復合閥特有功能能給電廠(chǎng)的安全運行提供雙重保障。
