高爐煤氣調壓閥組閥體有限元分析

于占忠

（首鋼京唐鋼鐵聯合有限責任公司，河北唐山 063200）

0 引言

高爐煤氣調壓閥組是在TRT（Blast Furnace Top Gas Recovery Turbine Unit，高爐煤氣余壓發電裝置）檢修時控制高爐爐頂壓力，確保高爐在穩定壓力下正常生產的關鍵設備。

1 高爐煤氣調壓閥組原理

1.1 調壓閥組設備概況

首鋼京唐公司高爐煤氣調壓閥組由4個調節閥組成，見圖1。其中3個調節閥為DN1000、1個自動調節閥為DN700，閥門采用三偏心彈性金屬硬密封型式。調壓閥組閥門的驅動方式為液壓驅動，調壓閥組工作時，油泵與蓄能器共同工作；TRT工作時，油泵停轉，蓄能器參與備用狀態（蓄能器壓力低時，啟動油泵補壓至額定壓力），待TRT故障時，1 s打開快開閥，迅速啟動主油泵，自動轉入液壓站工作。

圖1 高爐調壓閥組工藝流程

1.2 調壓原理

TRT機組控制高爐頂壓時，調壓閥組閥門全部關閉。當TRT停止運行時，調壓閥組投入使用控制高爐頂壓，操作方式為手、自動兩種，就地有閥位顯示及現場操作裝置，控制室有連續閥位顯示、連續調節、閥位高低開度（10%、70%）報警功能，進入高爐爐頂計算機系統。DN700閥門為自動調節閥，3個DN1000閥門之一作為量程閥（3個蝶閥的功能可互換）。當自動閥閥位開啟到70%時，量程閥打開，直到自動閥位開度回到60%時停止；當自動閥閥位開度在（20～30）%時，量程閥開始關閉，直到自動閥恢復到最低線性角度范圍內，若自動閥不能恢復到最低線性角度范圍，則量程閥全部關閉。

2 SolidWorks Simulation（三維實體造型設計仿真軟件）簡介

有限元法的基本思路是把1個原來是連續的物體剖分成有限個單元，他們相互連接在有限個節點上，承受等效的節點載荷。無論什么類型的有限元分析，基本的求解步驟相同，不同的只是推導公式或運算過程的差別。有限元法是將連續體離散化，通過對有限個單元作分片插值求解各種力學、物理問題的一種數值方法[1-4]。Simulation是SolidWorks公司開發的功能強大的有限元分析工具軟件，基本思路是構建零件的幾何模型，將該幾何模型劃分為適度小的有限單元。利用SolidWorks進行零件實體建模，使用SolidWorks Simulation對幾何模型進行網格劃分，建立有限元計算模型后，求解器得到作序數據進行結果分析。高爐生產過程中調壓閥組中調節閥開啟角度較小，煤氣流經調壓閥組時，形成射流。這種射流引發下游管道氣流的強烈擾動，形成強度不同的渦流，每個渦流產生的沖擊直接引發閥組內的某些部件及與之相連的管道的振動，這種振動影響閥體強度。利用Solidworks Simulation對閥門在不同工作狀態下的整體強度進行有限元分析，掌握高爐煤氣調壓閥組閥體強度數據對現場設備管理非常重要。

3 調壓閥組閥體強度有限元分析

3.1 蝶板開啟狀態靜壓力下

3.1.1 確定材料

在Solidworks Simulation中指定閥體的材料為Q235B，力學性能參數見表1。

表1 調壓蝶閥閥體材質Q235B力學性能參數

3.1.2 定義約束

蝶閥通過閥門兩端配對法蘭與管路用螺栓連接，根據調壓閥組中蝶閥的工作狀態，其約束在法蘭的平面和受螺栓軸向力作用的法蘭內側平面。定義約束條件時，Simulation會自動添加到法蘭整個外端面，此時應根據實際約束情況，對約束的部位進行重新編輯，見圖2。

3.1.3 加載載荷

調壓蝶閥在靜壓力狀態下，作用力垂直作用在閥體的內壁上，根據 GB/T 13927—2008的靜壓強度試驗標準，試驗壓力為額定工作壓力的1.5倍，即加載載荷0.9 MPa，添加載荷到閥體內腔，加載載荷見圖3。

3.1.4 劃分網格

對約束進行定義、加載載荷0.9 MPa，開始劃分網格，得到25 473個單元、50 641個節點，網格劃分見圖4。

運行 Simulation，得到分析結果見表2。

在蝶板開啟的靜壓力狀態下，此時閥體上產生的最大應力為 4.8 MPa，發生在節點29 251處，應力云圖見圖5。

最大位移為0.009 mm，發生在閥體上部與閥體承壓側法蘭連接部位，節點33 747處，位移云圖見圖6。

圖2 定義約束條件

圖3 加載載荷

圖4 對閥體劃分網格

表2 靜壓力下蝶板開啟時Simulation分析結果

表3 靜壓力下閥板關閉時Simulation分析結果

閥體受內壓時，內壁在壓力作用下向外產生變形，最大應力點的等效應力為4.8 MPa，根據設計規范，此應力強度不得超過試驗溫度下材料屈服強度σs。閥體的σs為235 MPa，所以應力符合設計要求。 最大位移為0.009 mm，閥體的延伸率為26%，位移符合設計要求。

3.2 閥板關閉狀態

重復3.1.1～3.1.4步驟，閥板關閉狀態時，運行Simulation，得到分析結果，見表3。

在閥板關閉的靜壓力狀態下，此時閥體上產生的最大應力為61.8 MPa，發生在節點24515處，應力云圖見圖7。

最大位移為0.012 mm，發生在節點33 718處，位移云圖見圖8。

閥體受內壓時，內壁在壓力作用下向外產生變形，最大應力點的等效應力為61.8 MPa，根據設計規范，此應力強度不得超過試驗溫度下材料屈服強度σs。閥體的 σs為235 MPa，所以應力符合設計要求。最大位移為0.012 mm，閥體的延伸率為26%，位移符合設計要求。

圖5 閥板開啟時的應力云圖

圖6 閥板開啟時的位移云圖

圖7 閥板關閉時的應力云圖

圖8 閥板關閉時的位移云圖

4 結束語

高爐煤氣調壓閥組工作原理和Solidworks Simulation分析方法。利用Solidworks Simulation對高爐煤氣調壓閥組閥門在不同工作狀態下進行整體強度有限元分析，得出閥門在關閉和開啟兩種狀態下的最大位移量和最大應力，為高爐生產現場設備管理提供技術支持。