高溫高壓直角截止閥溫度場模擬及分析研究

截止閥 程維姝 北洋國家精餾技術工程發展有限公司

  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,模擬研究了工業用高溫高壓(1800 K ~ 1900 K,2 MPa~ 6 MPa)直角截止閥的關閉和開啟狀態時,流體介質、閥體和閥芯的溫度場分布。研究發現,盡管1.6 m/s 的循環冷卻水,可以較好的冷卻關閉狀態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(包括閥芯內壁),介質入口處最高溫度也只有492.3 K。反觀開啟狀態下,閥芯和閥體的溫度場和峰值溫度均明顯升高,最高可達1350 K,閥芯內壁溫度也明顯高于室溫。因此,為保證開啟狀態下截止閥在高溫高壓環境中,可靠穩定工作,建議適當提高循環冷卻水的流速,并適當增加閥體和閥芯的壁厚。此外,由于截止閥每周期內關閉時間較長(達4~6 小時),為降低冷卻成本,避免浪費能源,應對循環水冷卻系統進行智能控制,當截止閥處于關閉狀態時,可實現周期性降低循環水流速,滿足不同階段的冷卻需求。

  隨著社會的發展和科技的進步,各種輸氣和輸液管路系統被廣泛應用。閥門是管路系統中控制流動方向、流量和壓強等的必不可少的控制元件。閥門為了達到其控制功能而需采用復雜的內流道形式,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緊密貼合,阻止介質流通。截止閥屬于強制密封式閥門,所以在閥門關閉時,必須向閥瓣施加壓力,以強制密封面不泄漏。當介質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的壓力所產生的推力,從自密封的閥門出現以后,截止閥的介質流向就改由閥瓣上方進入閥腔,這時,在介質壓力作用下,關閥門的力小,而開閥門的力大,閥桿的直徑可以相應地減小。同時,在介質作用下,這種形式的閥門也較嚴密。

1、結構

  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:

  (1)閥桿閥芯材質擬選擇INCONEL625;

  (2)角閥的構造,口徑DN150,工作壓力6MPa;

  (3)工況:空氣介質從角閥底進側出。開啟狀態下工作溫度1800K,工作壓力6MPa,空氣流量3 kg/s,工作時間60 s;關閉狀態下介質恒溫1900 K,工作壓力2MPa,持續時間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)內外壁的溫度場分布,然后根據溫度場及峰值溫度位置等信息,通過調整角閥材料和壁厚或者加大循環水流速,最終實現直角截止閥滿足高溫高壓的工作要求,這對指導工業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、數值模擬和結果分析

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

  (1)關閉狀態:

  循環水入口溫度=25 ℃;循環水冷卻流速=1.6 m/s;空氣介質溫度=1900 K;空氣介質入口質量流率=0 kg/s;空氣介質內部靜態壓力=2 MPa

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

關閉狀態,流體介質和閥門中截面溫度分布圖

圖1. 關閉狀態,流體介質和閥門中截面溫度分布圖

  此外,關閉狀態下,介質與閥體整體接觸表面最高溫度為429.3 K,說明冷卻水的冷卻效果明顯,可保證關閉狀態下,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。越接近介質入口位置處,閥體內外壁溫度越高,最高達429.3 K。值得注意的是,閥體中的連接法蘭部位,由于沒有直接循環水的強制冷卻效果,導致此處溫度偏高,達363.6 K 左右。而且,關閉狀態下,閥芯外壁最大溫度等于393.6 K,出現于介質流體中軸線與閥芯外壁的接觸部位,但是閥芯內壁最高溫度卻接近于25 oC,這主要是冷卻水的強制冷卻的結果。

  接下來,我們分析了高溫高壓直角截止閥由關閉狀態轉變成開啟狀態時,循環冷卻水的流速保持不變。各部件內外壁的具體溫度分布以及最高溫度位置。

開啟狀態閥門整體中截面溫度場分布云圖

圖2. 開啟狀態閥門整體中截面溫度場分布云圖

  (2)開啟狀態:

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

  分析發現,開啟狀態下,高溫介質出口處閥體內表面溫度最高,最高達1350 K。盡管循環水流速達到1.6 m/s,但閥體與介質接觸部位的內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注。

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

3、討論

  通過比較關閉狀態和開啟狀態下,直角截止閥閥體和閥芯的溫度場和峰值溫度,我們發現,盡管1.6 m/s 的循環冷卻水,可以較好的冷卻關閉狀態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(包括閥芯內壁),介質入口處最高溫度也只有492.3 K。反觀開啟狀態下,閥芯和閥體的溫度場和峰值溫度均明顯升高,最高可達1350 K,閥芯內壁溫度也明顯高于室溫。因此,為保證開啟狀態下截止閥在高溫高壓環境中,可靠穩定工作,建議適當提高循環冷卻水的流速,并適當增加閥體和閥芯的壁厚。但由于截止閥每周期內關閉時間較長(達4~6 小時),為降低冷卻成本,避免浪費能源,應對循環水冷卻系統進行智能控制,當截止閥處于關閉狀態時,可實現周期性降低循環水流速,滿足不同階段的冷卻需求。

4、結論

  本文利用商用有限元軟件ANSYS,模擬研究了工業用高溫高壓(1800 K ~ 1900 K,2 MPa~ 6 MPa)直角截止閥的關閉和開啟狀態時,流體介質、閥體和閥芯的溫度場分布。通過模擬結果對比,我們發現,循環冷卻水(1.6 m/s)可以較好的滿足關閉狀態下截止閥的冷卻要求,除冷卻水未流經的連接法蘭和高溫高壓介質流入位置外,絕大部分溫度均接近于室溫(包括閥芯內壁),介質入口處最高溫度也只有492.3 K。但開啟狀態下,閥芯和閥體的溫度場和峰值溫度均明顯升高,最高可達1350 K,閥芯內壁溫度也明顯高于室溫。因此,為保證開啟狀態下截止閥在高溫高壓環境中,可靠穩定工作,建議適當提高循環冷卻水的流速,并適當增加閥體和閥芯的壁厚。