基于流固耦合楔形雙閘板閘閥閥座失效分析與結構優化

(四川輕化工大學機械工程學院， 四川宜賓 644000)

引言

閘閥因結構簡單、流體阻力小以及結構緊湊等特點，成為管路系統中常用的控制元件[1]。按照閘閥閥芯的結構的不同，可分為平行閘閥、楔形閘閥、平行雙閘板閘閥以及楔形雙閘板閘閥等。國內研制的火電機組關鍵電動閘閥—楔形雙閘板閘閥，在楔形閘板楔入進出口閥座后，體現出了其較好的密封性能；但在針對不同介質、不同工況下，楔形閘閥出現了內漏[2]、磨損等問題。袁文君[3]在針對80 kt/a天然氣制甲醇裝置中，平行雙閘板閘閥出現密封失效問題，對閘閥的內件材料、結構設計、焊接工藝、閥門長時間小開度等方面進行了分析與總結；林哲[4]分析了氣固多相流介質對閘閥的汽蝕作用，得出平行雙閘板閘閥的磨損預測；針對液壓閘閥出現的卡滯現象，張文斌等[5]對閘閥結構特征、預測影響閘閥卡滯等方面進行深入的探討，并提出相應的解決辦法。可見在不同工況條件下，閘閥出現了諸多問題，對其可靠性、穩定性進行預測體現出了其重要性。

針對某公司設計的DN350-2500LB型楔形雙閘板閘閥，在水壓試驗閥門開啟過程中(進口壓力10.3 MPa)，由于流場壓力的作用，出口閥座出現嚴重變形現象如圖1a和圖1b所示。通過前期的靜力學分析，得出在試驗壓力作用下，出口閥座已超過其許用應力，存在密封失效、閥座變形的可能性。為了更加深入研究其變形規律，本研究將采用流固耦合的數值模擬方法，對出口閥座的變形過程進行分析，并提出優化與改進方法使其滿足使用要求。

圖1 水壓試驗閥座失效圖

1 流固耦合基本理論

流固耦合即在流場作用下可變形固體的各種行為以及固體變形對流場的影響，因流固耦合同時考慮流場與固體特性，其結果更能準確的表達物理現象的規律。除滿足流體控制方程、固體控制方程外，還需要滿足流固耦合基本守恒原則，在流固耦合交界面應滿足流體和固體應力、位移、熱流量、溫度等表面的守恒，即：

(1)

式中，τ—— 固體應力

d—— 位移

q—— 熱流量

T—— 溫度

f —— 流體

s —— 固體[6]

流固耦合分為單向流固耦合和雙向流固耦合分析[7-8]，其中雙向流固耦合分析又可分為：順序求解法和同時求解法，ANSYS中分離解法是進行流固耦合計算的主要解法。單向流固耦合分析中，流體力通過交界面傳遞給固體，能夠準確的描述出流場對固體區域的影響。本研究主要分析流場作用下楔形雙閘板閘閥的變形規律，因此采用單向流固耦合即可[9-10]。

2 數學模型

2.1 物理模型

楔形雙閘板閘閥的結構如圖2a所示，主要由閥體、閥座、頂芯、閘板和閥桿組成，工作過程中利用閥桿帶動閘板移動來控制流體的通斷，閘板垂直于流體方向進行流體的通斷控制，一般不作為調節閥使用[11]。楔形雙閘板閘閥具有良好的密封[12]效果，當楔形閘板和閥座密封面楔入時能夠緊密結合；當密封面的加工精度較低、密封面角度存在偏差時，可以通過頂芯調整密封面的角度來進行精度補償，因此楔形雙閘板閘閥具有自密封和強制密封的作用。該楔形閘閥主要的參數有：閥體通徑為φ350 mm、閘板的最大行程s為220 mm，閥桿螺距P為7 mm、執行器轉速n為36 r/min；運用SolidWorks軟件建立楔形雙閘板閘閥三維模型，如圖2b所示。

1.閥體 2.閥座 3.閥芯 4.閘板 5.閥桿圖2 楔形雙閘板閘閥結構簡圖與三維模型

1) 流場模型及網格劃分

分析楔形閘閥的結構特征、壓力邊界條件等，得出其具有平面對稱特性，為減輕流場的分析計算量，因此采用SolidWorks建立1/2三維模型。模擬閥門實際流動情況，結合工程實際問題，在閥門的進出口端分別增加了7～10倍管口直徑的流道以保證邊界條件的準確性，避免形成回流、壓力和速度的波動；此外，楔形閘閥的閘板在小開度情況下網格要求較高，為提高數值分析的計算精度，采用三角形非結構性單元對模型進行網格劃分，網格的平均質量保證在0.85～0.96范圍內，流體區域網格劃分結果如圖3a所示。

2) 固體材料屬性及網格劃分

在溫度為545 ℃、工作壓力為10.3 MPa下工作的DN350-2500LB型楔形雙閘板閘閥，對閥內元件材料要求極高，其中閘閥閥體選用WC9，閥座、閘板均采用12Cr1MoV，其主要的物理性能參數如表1所示，固體區域網格劃分如圖3b所示。

圖3 流體與固體區域網格劃分

表1 材料物理性能

注：其他部件不屬于研究對象，因此簡化省略；材料的物理屬性均取值545 ℃條件下。

2.2 邊界條件

1) 流體區域邊界條件

根據楔形閘閥特點和閥門管道中流體的屬性，同時考慮到開啟過程中閘閥與出口端的流速較高(高雷諾數湍流，在臨界雷諾數以上時，流動會發生一系列復雜的變化，并導致流動特征的急劇變化，流動呈無序的混亂狀態[13-14])，采用k-ε二次方程湍流模型和SIMPLE算法[15]。根據閘閥的實際使用工況，設置進口壓力為10.7 MPa，出口壓力為0，流體介質為545 ℃的水。

2) 固體區域邊界條件

在楔形閘閥的1/2的對稱面上施加對稱約束，即限制其Z方向的位移，以及繞X，Y的轉動，如圖4a中約束C所示；其次根據楔形閘閥的實際安裝位置，限制其管道兩端面的6個自由度，如圖4a中約束A、B所示；圖4b給出了壓力由流體介質進行傳遞的方式，其自重載荷依據材料屬性和幾何屬性由軟件自動處理加載。

圖4 固體區域邊界條件及載荷

3 計算結果分析

3.1 不同開度的流場特性

楔形閘閥在開啟過程中，出口閥座由于屈服而發生嚴重變形，通過出口閥座在水壓試驗后的破壞情況，閥座頂部表面可見兩條很長的裂紋，并且向內嚴重凹陷，產生了斷裂，與密封面完全脫離。可見在小開度情況下，流場的壓力、速度變化對出口閥座的變形具有較大影響；因此，對楔形閘閥開度在5%～100%分別抽取流道并計算。圖5給出了在5%開度下的速度及壓力云圖，可看出在進口壓力為10.3 MPa的工況下，閘板與出口閥座間形成了高速射流，最大流速達到了60.67 m/s，閥座外表面的流體壓力約為5.06 MPa，閥座內外表面在高壓差流場條件下，是引起閥座屈服失效的主要誘因。圖6給出了圖5b中Path 1，2的壓力隨開度的變化規律，可以得出隨著開度的增加，Path 1的壓力在逐漸減小，而Path 2的壓力從小變大；同時δp曲線可以看出開度的增大，閥座的受力狀態逐漸得到改善，流場壓力的變化規律符合閘閥試驗開啟過程中失效的現象。

圖5 開度5%下的速度及壓力

圖6 不同開度下Path 1，2平均壓力及壓差

3.2 不同開度閥座變形分析

通過流固耦合的方式將流場壓力作用于楔形閘板，在閥座內外壓差的作用力下，計算楔形閘閥應力及變形情況。圖7給出了開度為5%時，楔形閘閥出口閥座的等效應力云圖和總位移，其最大等效應力164.3 MPa，發生于出口閥座卸荷槽位置，最大位移量0.11 mm；通過建立Path路徑，提取其等效應力變化規律，如圖8所示，閥座下端等效應力約為20 MPa，中間部位應力較小，閥座上端薄弱處應力梯度較大。通過von mises 屈服準則[16]，出口閥座最大等效應力164.3 MPa大于閥座材料的許用應力62 MPa，出口閥座會產生屈服失效。通過圖7d可以看出，出口閥座頂部薄弱處出現內凹，符合水壓試驗時的變形情況。為了得出隨著開度不同，其發生變形的規律，提取不同開度下的最大等效應力和最大位移，如圖9所示。

圖7 開度5%下出口閥座等效應力與位移

圖8 沿路徑Path的等效應力變化曲線

圖9 不同開度下的最大等效應力與位移

從圖9最大等效應力可以得出，楔形閘閥在小開度過程中，由于無閘板楔緊力的作用，高速射流引起出口端形成負壓，高壓差作用下，使得楔形閘閥出口閥座產生較大變形，其最大等效應力約為160 MPa；開度約為50%后，出口閥座頂部薄弱處壓差減小，出口閥座最大等效應力趨于平緩，約為25 MPa。由此可以得出： ① 楔形閘閥在關閉時，由于閘板楔緊力的作用，出口閥座能夠承受較大壓差； ② 楔形閘閥出口閥座的破壞，是由于流場高壓差作用于出口閥座一定時間后，使得其發生屈服失效而導致破壞； ③ 出口閥座幾何尺寸設計的不合理，使得卸荷槽位置處應力過于集中。

4 優化與改進

從上述可知，楔形閘閥在小開度情況下，流場壓差作用于出口閥座上端薄弱處，是導致其產生屈服失效的主要原因。通過改進閥座幾何尺寸，增加閥座的剛性，以此抵抗流場壓差，是解決閥座失效的有效方法。綜合考慮楔形閘閥，在其性能、參數不發生改變的前提下，分別增加閥座外徑5, 10, 15 mm(如圖10所示，L不變、在D的基礎上增加至D1)，使閥座剛性加強，結構優化后采用流固耦合分析方法對閘閥進行再次分析(選用流場工況最為惡劣的情況進行計算)。圖11給出了改進后，出口閥座的等效應力云圖，楔形閘閥在外徑分別增加5, 10, 15 mm后，其最大等效應力分別為118.64, 93.93, 47.68 MPa。對比其許用應力62 MPa，當楔形閘閥外徑在D的基礎上增加15 mm后，出口閥座的最大等效應力能夠小于其許用應力，滿足強度要求。通過圖11c與圖11d可以看出，由于出口閥座的剛性的提高，卸荷槽處應力集中得到明顯改善，最大等效應力出現在了閥座的外表面與閥體連接處。可見閥座在其他參數不變的情況下，增加外徑可以有效的解決出口閥座剛性不足的問題。

圖10 閥座結構改進示意圖

5 結論

(1) 楔形雙閘板閘閥水壓試驗證明，閘閥關閉狀態時，閘板與閥座由于楔緊力作用，能夠使得閥座在關閉狀態下具有較好的剛性；當閥門小開度情況下，流場沖擊力、湍流及負壓作用使得閘閥出口閥座破壞，解釋了閘閥在開啟過程中產生破壞的現象；

(2) 通過單向流固耦合分析方法對閘閥管線系統進行了有限元數值分析，得出楔形閘閥在水壓試驗時，出口閥座失效主要原因是：在小開度情況下，由于約為7 MPa流場壓差所引起的屈服失效，與水壓試驗變形過程基本吻合；

(3) 當增加閥座的外徑15 mm后，出口閥座最大等效應力降低到47.679 MPa，出口閥座剛度得到相應提高，卸荷槽應力過于集中現象得到的優化，出口閥座能夠滿足強度要求。此外，受閥體強度、閥座密封面加工精度以及出口閥座強度過高的影響，增加外徑15～20 mm較為合理。

圖11 出口閥座優化后的等效應力(開度5%)