高温高压直角截止阀温度场模拟及分析研究

　　高温高压直角截止阀由于开闭过程中密封面之间摩擦力小，比较耐用，开启高度不大，制造容易，维修方便，不仅适用于中低压，而且适用于高压，已成为工业上使用最广泛的一种阀门。本文主要利用商用有限元软件ANSYS，模拟研究了工业用高温高压(1800 K ～ 1900 K，2 MPa～ 6 MPa)直角截止阀的关闭和开启状态时，流体介质、阀体和阀芯的温度场分布。研究发现，尽管1.6 m/s 的循环冷却水，可以较好的冷却关闭状态下高温高压截止阀的整体温度，绝大部分温度均接近于室温(包括阀芯内壁)，介质入口处最高温度也只有492.3 K。反观开启状态下，阀芯和阀体的温度场和峰值温度均明显升高，最高可达1350 K，阀芯内壁温度也明显高于室温。因此，为保证开启状态下截止阀在高温高压环境中，可靠稳定工作，建议适当提高循环冷却水的流速，并适当增加阀体和阀芯的壁厚。此外，由于截止阀每周期内关闭时间较长(达4～6 小时)，为降低冷却成本，避免浪费能源，应对循环水冷却系统进行智能控制，当截止阀处于关闭状态时，可实现周期性降低循环水流速，满足不同阶段的冷却需求。

　　随着社会的发展和科技的进步，各种输气和输液管路系统被广泛应用。阀门是管路系统中控制流动方向、流量和压强等的必不可少的控制元件。阀门为了达到其控制功能而需采用复杂的内流道形式，这往往造成了阀门部位流动速度和压强的强烈变化，并由此引发局部压强损失、空化、振动和噪声等负面问题，从而影响阀门流体动力性能、安静性能等重要使用指标，甚至会造成阀门本身和邻近管路及设备的疲劳破坏。

　　本文所研究的高温高压直角截止阀，也叫截门，是使用最广泛的一种阀门，它之所以广受欢迎，是由于开闭过程中密封面之间摩擦力小，比较耐用，开启高度不大，制造容易，维修方便，不仅适用于中低压，而且适用于高压。它的闭合原理是，依靠阀杠压力，使阀瓣密封面与阀座密封面紧密贴合，阻止介质流通。截止阀属于强制密封式阀门，所以在阀门关闭时，必须向阀瓣施加压力，以强制密封面不泄漏。当介质由阀瓣下方进入阀门时，操作力所需克服的阻力，是阀杆和填料的摩擦力与由介质的压力所产生的推力，从自密封的阀门出现以后，截止阀的介质流向就改由阀瓣上方进入阀腔，这时，在介质压力作用下，关阀门的力小，而开阀门的力大，阀杆的直径可以相应地减小。同时，在介质作用下，这种形式的阀门也较严密。

1、结构

　　角式迷宫截止阀主要由气缸、支架、销轴、填料压盖、填料轴套、支架、阀芯和阀体等部分组成。直角截止阀的有限元分析：

　　截止阀的设计参数：

　　(1)阀杆阀芯材质拟选择INCONEL625；

　　(2)角阀的构造，口径DN150，工作压力6MPa；

　　(3)工况：空气介质从角阀底进侧出。开启状态下工作温度1800K，工作压力6MPa，空气流量3 kg/s，工作时间60 s；关闭状态下介质恒温1900 K，工作压力2MPa，持续时间4~6 小时。

　　本文通过利用商用有限元软件ANSYS，计算分析角阀各部件(重点为角阀阀杆最底部的球面)内外壁的温度场分布，然后根据温度场及峰值温度位置等信息，通过调整角阀材料和壁厚或者加大循环水流速，最终实现直角截止阀满足高温高压的工作要求，这对指导工业用高温高压直角截止阀的设计制造具有重要的指导意义。

2、数值模拟和结果分析

　　首先，我们分析一下高温高压直角截止阀处于关闭状态时，各部件内外壁的具体温度分布以及最高温度位置。

　　(1)关闭状态：

　　循环水入口温度=25 ℃；循环水冷却流速=1.6 m/s；空气介质温度=1900 K；空气介质入口质量流率=0 kg/s；空气介质内部静态压力=2 MPa

　　图1 所示为关闭状态下，阀门整体中截面(含空气介质和冷却水)的温度分布云图。如图1 所示，发现阀体、阀芯与流体接触表面温度场均分布均匀，整体温度较低。说明关闭状态下，当前循环冷却水的冷却能力足以冷却直角截止阀在1900 K 和2 MPa 压力工况下可靠工作。

图1. 关闭状态，流体介质和阀门中截面温度分布图

　　此外，关闭状态下，介质与阀体整体接触表面最高温度为429.3 K，说明冷却水的冷却效果明显，可保证关闭状态下，阀门整体温度不致过高。此外，阀体接近冷却水的部位温度基本接近室温。越接近介质入口位置处，阀体内外壁温度越高，最高达429.3 K。值得注意的是，阀体中的连接法兰部位，由于没有直接循环水的强制冷却效果，导致此处温度偏高，达363.6 K 左右。而且，关闭状态下，阀芯外壁最大温度等于393.6 K，出现于介质流体中轴线与阀芯外壁的接触部位，但是阀芯内壁最高温度却接近于25 oC，这主要是冷却水的强制冷却的结果。

　　接下来，我们分析了高温高压直角截止阀由关闭状态转变成开启状态时，循环冷却水的流速保持不变。各部件内外壁的具体温度分布以及最高温度位置。

图2. 开启状态阀门整体中截面温度场分布云图

　　(2)开启状态：

　　循环水入口温度=25 ℃；循环水冷却流速=1.6 m/s；空气介质温度=1800 K；空气介质入口质量流率=3 kg/s；空气介质内部压力=6 MPa。图2 所示分别为开启状态下，截止阀中截面(含阀体和介质)工作时的温度场云图。如图2 所示，开启状态时，阀门整体温度分布均匀，温介质出口处温度较高，出口处与高温介质接触的阀体管壁内侧温度部分均已超过1000 K，由于循环水的强制冷却作用，温度传导对阀门远端区域基本无影响。

　　分析发现，开启状态下，高温介质出口处阀体内表面温度最高，最高达1350 K。尽管循环水流速达到1.6 m/s，但阀体与介质接触部位的内外壁温度均明显高于室温，温度偏高，所以此时的阀门的服役可靠性非常值得关注。

　　开启状态下，阀芯外壁最大温度达735.1 K，阀芯内壁最大温度也在500 K 左右，位于与介质直接接触的阀芯圆头位置。尽管开启状态下的介质初始温度(1800 K)低于关闭状态下介质的初始温度(1900 K)，但是开启状态下阀芯的峰值温度均明显高于关闭状态下的阀芯的峰值温度。这可能是由于开启状态下介质的流体压强(6 MPa)高于关闭状态下介质的流体压强(2 MPa)，使得开启状态下，介质高速流过阀体和阀芯，不断引入新的热量，使得循环水的冷却效果下降，并最终达到热动态平衡。而关闭状态下流体介质处于应处于静止稳定状态，较少引入新的热量，介质与阀体、阀芯和循环水间达到静态热平衡。因此，开启状态下，阀体和阀芯的峰值温度和整体温度场分布偏高。

3、讨论

　　通过比较关闭状态和开启状态下，直角截止阀阀体和阀芯的温度场和峰值温度，我们发现，尽管1.6 m/s 的循环冷却水，可以较好的冷却关闭状态下高温高压截止阀的整体温度，绝大部分温度均接近于室温(包括阀芯内壁)，介质入口处最高温度也只有492.3 K。反观开启状态下，阀芯和阀体的温度场和峰值温度均明显升高，最高可达1350 K，阀芯内壁温度也明显高于室温。因此，为保证开启状态下截止阀在高温高压环境中，可靠稳定工作，建议适当提高循环冷却水的流速，并适当增加阀体和阀芯的壁厚。但由于截止阀每周期内关闭时间较长(达4～6 小时)，为降低冷却成本，避免浪费能源，应对循环水冷却系统进行智能控制，当截止阀处于关闭状态时，可实现周期性降低循环水流速，满足不同阶段的冷却需求。

4、结论

　　本文利用商用有限元软件ANSYS，模拟研究了工业用高温高压(1800 K ～ 1900 K，2 MPa～ 6 MPa)直角截止阀的关闭和开启状态时，流体介质、阀体和阀芯的温度场分布。通过模拟结果对比，我们发现，循环冷却水(1.6 m/s)可以较好的满足关闭状态下截止阀的冷却要求，除冷却水未流经的连接法兰和高温高压介质流入位置外，绝大部分温度均接近于室温(包括阀芯内壁)，介质入口处最高温度也只有492.3 K。但开启状态下，阀芯和阀体的温度场和峰值温度均明显升高，最高可达1350 K，阀芯内壁温度也明显高于室温。因此，为保证开启状态下截止阀在高温高压环境中，可靠稳定工作，建议适当提高循环冷却水的流速，并适当增加阀体和阀芯的壁厚。