超超临界硬质密封复合阀阀体温度场和应力场模拟研究
利用ANSYS有限元分析软件对超超临界硬质密封复合阀在不同高温高压工况下进行模拟分析。得出该复合阀阀体在不同高温高压工况下温度场，热应力场和压应力场的分布情况。结果表明该阀侧阀体与管道连接出口处所受的温度梯度，热应力梯度和压应力梯度均为最大，是整个复合阀阀体薄弱点。因此对侧阀体出口处的数据监控以保证复合阀安全的运行尤为重要。
在电力行业的超临界超超临界系统中，阀门常处于高温度和高流体压力下。加上阀门经常启闭，密封面间的相互摩擦、挤压、剪切以及流体的冲刷和腐蚀等作用，阀门极易受到损伤。更为恶劣的工况(如高温、高压、杂质、颗粒等综合作用)，会造成系统中的超超临界阀门在短时间内或在极少操作次数下出现内漏。一直以来，火电系统使用的隔断阀门大都是球阀、截止阀或闸阀。这些阀门在恶劣的工况条件下，通常几个月内就会出现内漏。有的甚至装机不到两星期就失效了。这一难题，国内外阀门制造厂家都在不断改进和探索。
本文采用ANSYS有限元析方法对一种超超临界硬质密封复合阀在不同温度和压力工况下的温度场、热应力场、压应力进行模拟研究，得出该阀门在不同工况时的温度分布，热应力分布和压应力分布，并证实了P92号钢材用于此种硬质密封复合阀门完全能够满足超超临界运行工况。所得结论可以为该超超临界硬质密封阀门的设计和运行提供参考。
1、超超临界硬质密封复合阀门的工作原理
超超临界硬质密封复合阀门(如图1和图2)的是将截止阀功能和球阀功能有机的结合为一体，通过联动机构实现一体化控制。大大提高了阀门的使用寿命和使用安全系数。(1)复合阀开启时：逆时针旋转手轮，此时凸轮不啮合，主动齿轮带动被动齿轮向上移动，当截止阀杆上移到行程的98%时，被动凸轮和被动齿轮端面离合器啮合，继续旋转手轮使得被动凸轮旋转90°，也就是球转动90°，球密封处于开启位置。阀门处于全开状态。(2)关闭时：顺时针旋转手轮，两凸轮处于啮合位置。当被动凸轮转90°，使球密封处于密封位置，此时凸轮不啮合。继续旋转手轮截止阀向下移动，主动齿轮带动被动齿轮也向下移动。当截止阀杆不能再往下移动，说明截止密封关死，阀门处于全关状态。
图1 超超临界硬质密封复合阀剖面图
1-主阀体 2，3-填料垫 4-截止阀 5-截止阀杆 6-阀杆套 20-球阀阀杆套 21-球阀阀杆 22-球阀 23-侧阀体
图2 超超临界硬质密封复合阀门三维图
2、计算模型
2.1、温度场计算模型
对于超超临界硬质密封复合阀(由于在整个的热量传递过中，辐射热相对较小，故忽略不计)，其温度场的计算主要包括：阀体本身的导热，阀体内壁与流体在边界上的对流换热。当然阀门完全闭合时，阀门前后的流体是不流动的，故可视为温度恒定的稳态导热，只考虑阀体本身的热量传递；在阀门开启时，其内部有高速流动的高温高压流体流过，此时应考虑阀体与高温高压流体在边界处的热对流。导热问题的微分方程为：
(1)
(2)
式中：ρ密度，kg/m3；λ：导热系数，w/(m.k)；c：比热容，KJ/(kg.℃)；tf，tw：流体和壁面的温度，K；h：表面换热系数，W/(m2.K)。提供的经验式为依据计算阀体内部表面换热系数，即：
(3)
式中：d-特征长度，mm；Nu-努赛尔数；λ-蒸汽导热系数，w/(m.k)；Re-雷诺数；Pr-普朗特数。计算中设定高温高压蒸汽流体的温度为300℃，400℃，500℃，560℃，600℃和610℃，压力为18MPa，25MPa，32MPa和48MPa。且阀体和管道外表面有较好的保温材料包裹，保温材料的导热系数很小，可视为绝热边界。在阀体的入口、出口断面上，温度沿断面的法线方向(轴向)变化不大，故可近似为绝热边界。
2.2、应力场计算模型
超超临界硬质密封复合阀阀体结构的应力场可以从两类：一是由于不均匀的温度分布所引起的热应力，且温度梯度越大，热应力就越大；第二类也是起决定作用的应力，即由于阀内流体压力作用所导致的压应力，随流体压力的增大，阀体的压应力增大，且远大于热应力。可用相对应的应力函数ψ的四阶偏导数方程来描述这类热弹性问题：
(4)
式中：E-弹性模量，Pa；β-热膨胀系数，K-1；T-温度，K
将函数Ψ沿不同方向进行两次微分，可以得到节点的应力状态的全部分量，然后利用Von Mises公式求得节点上的等效应力，即：
(5)
式中：σ-应力，Pa；r、z、θ-径向、轴向和切向。
在ANSYS中进行温度场和应力场的耦合计算，只要分别定义好边界条件，可以计算出最后的等效应力场。在约束条件设定中，阀体流道边界条件的设定是至关重要的事实上。相对于阀体所承受的温差载荷和流体内压载荷而言，由系统传递作用在阀体上的平衡力所引起的阀体结构内附加应力微不足道的，因此可以忽略不计。在计算由流体内压载荷所引起的应力时，作了如下考虑：(1)阀体内表面承受流体压力，外表面为自由表面；(2)在加载过程中使用阀体所受合力为零(阀静止)；(3)由阀体重力引起的应力与其它载荷作用引起的应力相比微不足道，故忽略不计。
3、几何模型边界条件及网格的划分
采用Solidworks软件对该超超临界硬质密封复合阀阀体进行了实体建模，并导入至ANSYS软件中进行模拟分析，考虑到几何形状和物理模型的对称性，计算中对阀体仅取半个模型进行数值模拟。同时由于物理模型的复杂性，采用自由网格的划分方式，并对结构的复杂处和重点位置进行了局部的加密如图所示。
图3 阀体几何模型及网格划分
采用单元类型为Coupled Field Scalar Tet 98，网格是智能划分的网格，尺寸分别为：阀体的精度等级为0.3，最大网格尺寸为0.005mm，网格总数为2626294个，阀体内部流道的温度分别为300℃，400℃，500℃，600℃和610，内部压力分别为18MPa，25MPa，32MPa和48MPa。超超临界硬质密封复合阀门所采用材料为合金钢(P92)其相关物理参数如下表所示：
表1 P92钢材物理参数
4、模拟结果及分析
温度分别为300℃，400℃，500℃，560℃，600℃和610℃时，阀体温度分布图
图4 300℃阀体温度场分布图
图5 400℃阀体温度场分布图
图6 500℃阀体温度场分布图
图7 560℃阀体温度场分布图
图8 600℃阀体温度分布图
图9 610℃阀体温度场分布图
由温度场的分布可以看出，阀体内部的温度分布主要受固体导热的影响。管内的流体不断向流道管壁传递热量，直至达到稳定。随着流体温度不断的增加，阀体的温度沿着流道均匀增加，且不同温高难度下的分布基本一致。侧阀体与管道连接处的温度梯度分布最大，出现很大的应力集中，导致热应力作用最大，由此可以分析得出侧阀体与管道连接处是整个阀体最薄弱的部分。
温度分别为300℃，400℃，500℃，560℃和600℃时，阀体的热应力分布图
图10 300阀体热应力场分布图
图11 400℃阀体热应力场分布图
图12 500℃阀体热应力场分布图
图13 560℃阀体热应力场分布图
图14 600℃阀体热应力场分布图
图15 不同温度下阀体最大热应力曲线图
由热应力分布可以看出，沿着流道方向，随着温度的增加，阀体流道的热应力也随之而增大，在侧阀体与管道的接口处热应力的梯度最大，在流道入口的截止阀处弯脚处有较大的热应力负荷，共计两处受到热应力较大。当温度大于500℃时，由最大热应力分布曲线图可以看出，阀体所受到的最大热应力增大趋于平缓。
压力分别为18MPa，25MPa，32MPa和48MPa时阀体的压应力分布图
图16 18MPa阀体压应力分布图
图17 25MPa阀体压应力分布图
图18 32MPa阀体压应力分布图
图19 48MPa阀体压应力分布图
图20 不同压力下最大压应力曲线图
此时高压的流体将对阀体进行瞬态的高压热冲击。该高温高压阀门长期的在这种环境下运行，阀体的流道压力增大时，整个阀体的压应力增大较为明显。在出口段侧阀体所受到的压应力梯度最大，此处的压应力值最大。随着压力的不断增大，必然给阀体的整个运行带来一定的安全隐患。相比热应力，压应力的值远大于热应力影响。即阀体的耦合应力分布以压应力分布为主，因此对侧阀体出口处的温度和压力分布进行监控，可以为复合阀门的安全运行提供保障。
5、阀体材料安全性能评估
超超临界硬质密封复合阀长期工作在高温高压环境中，其运行受到强烈的热冲击，其安全性能必须进行评估。参考阀体材料P92号钢材压力许用值，得出如下图：
图21 不同工况下实际应力和许用应力对比图
由图7可以看出在设定的不同工况温度下，阀体的应力值均在许用应力值范围内。当温度和压力达到超超临界，阀体最大实际应力值不到20MPa，远小于P92钢材所对应的许用应力值99.2MPa实际应力值都远小于P92的基本许用应力值的3倍，因此该阀体选材的安全性能较高，符合超超临界状态的电厂阀门选材使用要求。
6、结论
(1)本文建立了超超临界硬质密封复合阀的三维模型，并对阀体的进行了热应力耦合计算，较好的模拟了阀体的在高温高压工况下的温度场，热应力场和压力场的分布情况，计算结果与实际情况较为吻合。
(2)在高温高压的双重作用下，侧阀体与管道连接出口处的温度分布梯度，热应力分布和压应力分布均为最大，应力集中大，此处为阀体能否安全有效运行的可靠保证。复合阀受到的热应力相对压应力来说，基本可以忽略，可以推断出高压力是对复合阀能否安全运行的重要依据。
(3)由P92号钢材生产的这种特殊高温高压复合阀能够满足超超临界电厂阀门的使用需求，该种超超临界硬质密封复合阀特有功能能给电厂的安全运行提供双重保障。
