1 概述

    蝶閥結構簡單，體積小，啟閉迅速流阻小。目前國內生產的閥門中，將工作溫度t＞450℃的蝶閥稱為高溫蝶閥。

    某公司煙機入口的調節閥采(cai)用(yong)DN1200電液高(gao)溫(wen)蝶閥(fa)(fa)，其(qi)閥(fa)(fa)體結構為(wei)(wei)雙(shuang)偏心形式，且閥(fa)(fa)體與管(guan)道采(cai)用(yong)焊接(jie)連(lian)接(jie)。高(gao)溫(wen)蝶閥(fa)(fa)的操作(zuo)溫(wen)度(du)為(wei)(wei)650℃，閥(fa)(fa)座(zuo)和蝶板(ban)的材(cai)質為(wei)(wei)0Cr18Ni9。高(gao)溫(wen)雙(shuang)偏心蝶閥(fa)(fa)常采(cai)用(yong)兩(liang)種(zhong)形式，即蝶閥(fa)(fa)筋板(ban)可采(cai)用(yong)垂直放(fang)置(zhi)和斜置(zhi)兩(liang)種(zhong)形式。為(wei)(wei)探討(tao)兩(liang)種(zhong)結構形式的強(qiang)度(du)，利用(yong)AN-SYS有限元分(fen)析軟件提供的APDL語言編程參數化(hua)技術對不同筋板(ban)放(fang)置(zhi)下的蝶閥(fa)(fa)閥(fa)(fa)座(zuo)建立較為(wei)(wei)精確(que)的三維(wei)有限元模型，分(fen)析兩(liang)種(zhong)結構在內壓(ya)6MPa（水壓(ya)試驗壓(ya)力）的應力分(fen)布(bu)。

    2 有限元模型

    2.1 幾何模型

    利用ANSYS分別建立蝶閥閥座在筋板垂直及斜置狀態下的三維幾何模型（圖1），其中斜置筋板與閥座中心橫切面所成的角度為25°。閥門操作壓力為(wei)0.26MPa，閥(fa)座外(wai)覆(fu)防水泡沫石棉保溫材(cai)料，厚度(du)為(wei)80～100mm，由于只考(kao)慮(lv)閥(fa)座筋板(ban)對閥(fa)座強度(du)的影響，故保溫層可(ke)以(yi)忽略不計(ji)。

（a）蝶閥筋(jin)板(ban)垂直放置    （b）蝶閥筋(jin)板(ban)斜置

圖(tu)1 垂直和斜置筋板下的閥座三(san)維模型

    2.2 網格劃分

    對閥座(zuo)應力分(fen)析計(ji)算采用SOLID45單元，其具有(you)(you)三(san)維8節(jie)點(dian)，每個節(jie)點(dian)有(you)(you)三(san)個沿著x、y及(ji)z方向(xiang)平移的(de)(de)自(zi)由度(du)。閥座(zuo)在內(nei)壓下強度(du)的(de)(de)分(fen)析未考慮(lv)溫度(du)分(fen)布和保溫層的(de)(de)影響(xiang)。

    當蝶(die)閥筋板垂直放置時，考慮(lv)(lv)到幾(ji)何模(mo)(mo)型(xing)(xing)的復(fu)雜性(xing)，為保證網(wang)格(ge)質量和分(fen)(fen)析結果的準確性(xing)，將整體分(fen)(fen)析模(mo)(mo)型(xing)(xing)細(xi)分(fen)(fen)為較小的體積塊，并依(yi)次進(jin)行(xing)網(wang)格(ge)劃(hua)分(fen)(fen)，確保有(you)限單元網(wang)格(ge)的光滑過渡。考慮(lv)(lv)到兩端支撐邊界對蝶(die)閥受力情(qing)況的影響，這里將閥座模(mo)(mo)型(xing)(xing)向兩端各延長600mm。整體有(you)限單元模(mo)(mo)型(xing)(xing)如(ru)(ru)圖2（a）所(suo)示(shi)，共(gong)15986個(ge)SOLID45單元。當蝶(die)閥筋板傾斜放置時，考慮(lv)(lv)到幾(ji)何模(mo)(mo)型(xing)(xing)的復(fu)雜性(xing)，中間(jian)采用自由(you)網(wang)格(ge)劃(hua)分(fen)(fen)，整體有(you)限元模(mo)(mo)型(xing)(xing)如(ru)(ru)圖2（b）所(suo)示(shi)，共(gong)12813個(ge)SOLID45單元。

（a）蝶閥筋(jin)板垂直放置（b）蝶閥筋(jin)板斜置

圖2 垂(chui)直和斜置筋板(ban)下的閥(fa)座網格劃分模(mo)型(xing)

    2.3 材料屬性及邊界條件

    根據蝶(die)閥(fa)的操作(zuo)條件(jian)，確定其材(cai)料屬性、初始條件(jian)及(ji)邊界條件(jian)。

    （1）材料屬性

    蝶閥材質為0Cr19Ni9，即304不銹鋼。彈性模量為1.95×10⁵MPa，泊松(song)比(bi)為0.3。值得注意的(de)是，模型兩(liang)端延(yan)長部分采用(yong)相同的(de)材(cai)料屬性。

    （2）邊界條件

    在模型入口端(duan)的斷(duan)面上施(shi)加固(gu)定(ding)邊(bian)界(jie)，而另一端(duan)的斷(duan)面保持為平面，即耦(ou)合軸(zhou)向方向的位移(yi)。

    （3）載荷

    根據(ju)水壓(ya)試驗壓(ya)力，閥(fa)座內壓(ya)取為6MPa。在閥(fa)座保持為平面的(de)一端(duan)及接管的(de)端(duan)部施加響應的(de)軸向拉力P。

    式中  P———軸向(xiang)拉力(li)

    P_i———內壓

    R_i———內徑

    R_o———外徑

    所以，閥座保持為平面一端的軸向拉力P₁為

    接管端部的軸向拉力P₂為

    綜上分(fen)析，載(zai)荷(he)條(tiao)件壓力載(zai)荷(he)和(he)軸(zhou)向拉力載(zai)荷(he)，邊界條(tiao)件為軸(zhou)向位移約束(shu)。

    3 計算結果及分析

    3.1 筋板垂直放置時閥座應力分析

    圖3（a）顯示了蝶閥閥座的徑向應力，結果表明蝶閥閥座的徑向應力較小，最大徑向應力值在接管與筒體連接的附近，約為35MPa。值得注意的是，分析中將入口一側取為固定支撐，而另一端自由支撐，這樣處理并不是實際工況，僅為平衡閥座的(de)(de)(de)各項應(ying)(ying)力(li)(li)(li)，而根(gen)據圣維南原理(li)，該固定邊界僅(jin)影響(xiang)固定支(zhi)撐附近的(de)(de)(de)應(ying)(ying)力(li)(li)(li)狀態(tai)(tai)，而不(bu)影響(xiang)遠端(duan)的(de)(de)(de)應(ying)(ying)力(li)(li)(li)狀態(tai)(tai)。因(yin)此(ci)，分(fen)(fen)析(xi)(xi)中僅(jin)顯示(shi)了(le)(le)閥(fa)(fa)(fa)(fa)座的(de)(de)(de)應(ying)(ying)力(li)(li)(li)狀態(tai)(tai)，并沒有顯示(shi)分(fen)(fen)析(xi)(xi)時延(yan)長部分(fen)(fen)的(de)(de)(de)應(ying)(ying)力(li)(li)(li)狀態(tai)(tai)。圖3（b）顯示(shi)了(le)(le)蝶閥(fa)(fa)(fa)(fa)閥(fa)(fa)(fa)(fa)座的(de)(de)(de)周(zhou)向(xiang)應(ying)(ying)力(li)(li)(li)，結果表明蝶閥(fa)(fa)(fa)(fa)閥(fa)(fa)(fa)(fa)座的(de)(de)(de)周(zhou)向(xiang)應(ying)(ying)力(li)(li)(li)較(jiao)大(da)，最大(da)值在接管(guan)與(yu)(yu)筒體(ti)(ti)內壁(bi)連接處(chu)，約(yue)(yue)為(wei)(wei)191.14MPa。圖3（c）顯示(shi)了(le)(le)蝶閥(fa)(fa)(fa)(fa)閥(fa)(fa)(fa)(fa)座的(de)(de)(de)軸向(xiang)應(ying)(ying)力(li)(li)(li)，結果表明蝶閥(fa)(fa)(fa)(fa)閥(fa)(fa)(fa)(fa)座的(de)(de)(de)軸向(xiang)應(ying)(ying)力(li)(li)(li)較(jiao)小，最大(da)應(ying)(ying)力(li)(li)(li)值在接管(guan)與(yu)(yu)筒體(ti)(ti)外壁(bi)連接處(chu)，約(yue)(yue)為(wei)(wei)74.8MPa。圖3（d）顯示(shi)了(le)(le)蝶閥(fa)(fa)(fa)(fa)閥(fa)(fa)(fa)(fa)座的(de)(de)(de)MISES等效應(ying)(ying)力(li)(li)(li)，結果表明蝶閥(fa)(fa)(fa)(fa)閥(fa)(fa)(fa)(fa)座的(de)(de)(de)MISES等效應(ying)(ying)力(li)(li)(li)較(jiao)大(da)，最大(da)等效應(ying)(ying)力(li)(li)(li)值在接管(guan)與(yu)(yu)筒體(ti)(ti)外壁(bi)連接處(chu)，約(yue)(yue)為(wei)(wei)191MPa。

（a）閥座(zuo)徑(jing)向應(ying)力 ;  （b）閥座(zuo)周向應(ying)力

（c）閥座(zuo)軸向應(ying)力   （d）閥座(zuo)MISES等(deng)效應(ying)力

圖(tu)3 筋(jin)板垂直放置(zhi)時(shi)閥(fa)座應(ying)力場

    考(kao)慮到(dao)筋(jin)板垂直放置時蝶閥閥座的(de)最(zui)大等效應(ying)力(li)值在(zai)短接(jie)管與筒體外壁連(lian)接(jie)處，根據最(zui)大應(ying)力(li)處的(de)壁厚方向選取了(le)3條應(ying)力(li)線性分(fen)析路(lu)徑(jing)（圖4）。

圖4 筋(jin)板垂(chui)直放置時(shi)閥座應力線性(xing)化路徑

    GB150中304不(bu)銹鋼在常溫下的(de)許用應力為(wei)137MPa，取安全系(xi)數(shu)為(wei)1.5，則(ze)304的(de)屈(qu)服極限為(wei)205.5MPa。各路徑應力評(ping)定結果(guo)如表(biao)1所(suo)示(shi)。

表(biao)1 筋板垂直放置時各路徑應力(li)評定結果   MPa

    由分析結果(guo)可(ke)知，筋板垂直放置時蝶(die)閥(fa)閥(fa)座的(de)最大應(ying)力滿足水(shui)壓試驗的(de)要求。分析中未考慮(lv)疲勞(lao)載荷的(de)影(ying)響，因(yin)此(ci)對(dui)總應(ying)力不做評定(ding)。

    3.2 筋板傾斜放置時閥座應力分析

    圖(tu)(tu)5（a）顯示了筋(jin)板傾(qing)斜放置(zhi)時(shi)蝶(die)(die)閥(fa)(fa)(fa)(fa)閥(fa)(fa)(fa)(fa)座(zuo)的徑向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)應(ying)(ying)(ying)(ying)(ying)力(li)(li)，結果(guo)表(biao)明其(qi)徑向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)應(ying)(ying)(ying)(ying)(ying)力(li)(li)較(jiao)小，最大值(zhi)在接管與(yu)筒(tong)體(ti)連接的附近，約(yue)為(wei)26MPa。圖(tu)(tu)5（b）顯示了蝶(die)(die)閥(fa)(fa)(fa)(fa)閥(fa)(fa)(fa)(fa)座(zuo)的周向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)應(ying)(ying)(ying)(ying)(ying)力(li)(li)，結果(guo)表(biao)明蝶(die)(die)閥(fa)(fa)(fa)(fa)閥(fa)(fa)(fa)(fa)座(zuo)的軸(zhou)(zhou)向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)應(ying)(ying)(ying)(ying)(ying)力(li)(li)較(jiao)大，最大值(zhi)在接管與(yu)筒(tong)體(ti)內壁連接處(chu)(chu)，約(yue)為(wei)164.2MPa。圖(tu)(tu)5（c）顯示了蝶(die)(die)閥(fa)(fa)(fa)(fa)閥(fa)(fa)(fa)(fa)座(zuo)的軸(zhou)(zhou)向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)應(ying)(ying)(ying)(ying)(ying)力(li)(li)，結果(guo)表(biao)明蝶(die)(die)閥(fa)(fa)(fa)(fa)閥(fa)(fa)(fa)(fa)座(zuo)的軸(zhou)(zhou)向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)應(ying)(ying)(ying)(ying)(ying)力(li)(li)較(jiao)小，最大軸(zhou)(zhou)向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)應(ying)(ying)(ying)(ying)(ying)力(li)(li)值(zhi)在筋(jin)板與(yu)筒(tong)體(ti)內壁連接處(chu)(chu)，約(yue)為(wei)73.7MPa。圖(tu)(tu)5（d）顯示了蝶(die)(die)閥(fa)(fa)(fa)(fa)閥(fa)(fa)(fa)(fa)座(zuo)的MISES等效應(ying)(ying)(ying)(ying)(ying)力(li)(li)，結果(guo)表(biao)明蝶(die)(die)閥(fa)(fa)(fa)(fa)閥(fa)(fa)(fa)(fa)座(zuo)的MISES等效應(ying)(ying)(ying)(ying)(ying)力(li)(li)較(jiao)大，最大等效應(ying)(ying)(ying)(ying)(ying)力(li)(li)值(zhi)在短(duan)接管與(yu)筒(tong)體(ti)外(wai)壁連接處(chu)(chu)，約(yue)為(wei)154.1MPa。

（a）閥(fa)座徑向應力(li)    （b）閥(fa)座周向應力(li)

（c）閥座(zuo)軸向(xiang)應力    （d）閥座(zuo)MISES等效應力

圖5 筋板傾斜放置時(shi)閥(fa)座的應力(li)場(chang)

    考(kao)慮到筋板傾斜放置時蝶閥閥座的最大等效應(ying)(ying)力值在(zai)短接(jie)(jie)管與筒體(ti)外壁連接(jie)(jie)處(chu)，這里根據最大應(ying)(ying)力處(chu)的壁厚方向(xiang)選取了3條應(ying)(ying)力線性(xing)化分析路徑（圖6）。

圖6 筋(jin)板傾斜放置時(shi)閥(fa)座應力線性(xing)化路徑

    各(ge)路徑應力(li)評定結果如表(biao)2所(suo)示(shi)。

表(biao)2 筋(jin)板傾(qing)斜放置時各路徑(jing)應(ying)力評定結果(guo)    MPa

    4 結語

    （1）采用ANSYS軟件，分(fen)別對(dui)筋板(ban)在垂直(zhi)及傾斜(xie)放置狀(zhuang)態下加載分(fen)析(xi)，獲得了高(gao)溫(wen)蝶(die)閥(fa)閥(fa)座(zuo)的徑向、周向、軸向和MISES等(deng)效應力場情況，對(dui)兩(liang)種(zhong)閥(fa)座(zuo)的承載能力進(jin)行了對(dui)比分(fen)析(xi)，為高(gao)溫(wen)蝶(die)閥(fa)的結構優化和安全選型提供(gong)參考依據。

    （2）計算結果表明，筋(jin)板垂直放置時(shi)蝶閥閥座的(de)最(zui)大(da)等效應力在短接(jie)管與閥座筒(tong)體(ti)(ti)內壁連(lian)接(jie)處，且最(zui)大(da)值(zhi)為191.14MPa。筋(jin)板傾斜(xie)放置時(shi)蝶閥閥座的(de)最(zui)大(da)等效應力也在短接(jie)管與閥座筒(tong)體(ti)(ti)內壁連(lian)接(jie)處，且最(zui)大(da)值(zhi)為154.1MPa。

    （3）值(zhi)得注意的是(shi)，雖然二者的最(zui)大等效(xiao)應力(li)均在短接管與閥座筒體內(nei)壁連接處，但其開孔位置(zhi)不(bu)同。如果僅考慮內(nei)壓的作用(yong)，筋板(ban)傾斜(xie)放置(zhi)時(shi)蝶閥閥座的承(cheng)載(zai)能力(li)較高。根(gen)據彈性設計準則，筋板(ban)傾斜(xie)放置(zhi)時(shi)蝶閥閥座的承(cheng)載(zai)能力(li)約為垂(chui)直放置(zhi)時(shi)閥座的1.24倍。