1 前言

阀门是广泛应用于石油、化工、电力等领域中典型的通用机械设备，在现代工业中具有举足轻重的地位［1～3］，其产品性能和质量的提高在工业生产中具有重要意义。随着计算机技术的不断发展，计算机辅助数值模拟计算分析已成为产品工程设计与运行特性研究的重要手段［3～5］。本文主要以高温高压管道球阀在长久持续运行过程中关键部件的应力分布状态和变形及可能引起的相关问题为案例，应用数值模拟计算与现场运行特性分析相结合，为产品研发与技术工艺性能改进提供合理的参考依据，以期达到提高设备技术特性和运行寿命的目的。

2 三维建模与数模计算

2.1 三维建模

高温高压管道球阀主要技术性能和运行状态参数见表1。应用SolidWorks对高温高压管道球阀进行三维建模，模型如图1所示。

 

表1 管道球阀主要技术性能和运行状态参数

  

  

图1 球阀的三维建模

2.2 网格划分

根据球阀相关部件的结构特点、载荷类型及计算分析的需要，网格划分尺寸应不大于计算部件的最小壁厚值。通过应用ANSYS自带网格划分工具ICEM进行网格划分，系统能够根据结构尺寸形状和局部曲率及线与线之间距离，合理设置精度级别与网格密度。采用自由网格划分方法对球体进行网格划分，结果如图2所示。

  

图2 球体有限元网格划分

2.3 球阀关键部件全开运行算例

2.3.1 球体

以上当今青年人才显露出的主要特点，是他们的强项和优势。然而，青年人才的成长不可能一蹴而就，育青年人才犹如育树，根深才能叶茂。企业对青年人才的培养应“激励成功，宽容失败”，使青年人才在良好的政策环境中得到锤炼，积累丰富的经验，快速成才。

式中：E、N分别为统计时间段(以班为例)的地音能量和频次值；Ei、Ni分别为最近i个班次能量、频次的平均指标值。

图3所示为球体温度分布状态。长时间持续运行条件下，与高温油气介质直接接触的球体因导热且无强制对流而整体温度达到610℃。

  

图3 球体温度分布

图4，5所示为球体应变和应力分布状态。球体内通道受到来自高压油气介质的直接作用，上、下两端与支撑板直接接触部分受支撑板的固定约束而应变与应力均较大。图6所示为球体总变形状态。球体内通道处因其表面直接承受高温高压油气介质的作用而引起膨胀变形，球体两侧在两端固定约束作用下的变形相对较小，其最大膨胀变形位于球体内通道进出口中部最薄的部位。

  

图4 球体应变状态

  

图5 球体应力分布

  

图6 球体总变形

2.3.2 阀座

图8，9所示为阀座应变和应力分布状态。阀座受高温高压油气介质直接作用，同时两侧受到固定约束而使阀座两侧应变和应力较大。图10所示为阀座总变形分布状态。阀座内壁面在高温高压油气介质直接作用下膨胀变形，两侧受到阀体和球体的固定约束而形变自中间向两侧逐步变小，最大膨胀变形位于阀座中间部位。

  

图7 阀座温度分布

图7所示为阀座温度分布状态。长时间持续运行条件下，与球体紧密接触的阀座因导热且无强制对流而整体温度趋于与球体温度一样达到610℃。

图14所示为支撑板总变形分布状态。支撑板安装销钉部位受固定约束而变形较小，而靠近通孔两边最薄处的变形最大。

  

图8 阀座应变分布

  

图9 阀座应力分布

  

图10 阀座总变形分布

图16，17所示为阀杆应变和应力分布状态。处于高温状态且与阀体、球体直接接触的阀杆下端应变和应力较大。

（1）从改性沥青的针入度、软化点来看，MY沥青砂添加剂加入改善了沥青的高温性能和稳定性。石油沥青能有效溶解分散煤油共炼残渣中的沥青质，促使煤油共炼残渣均匀溶解分散在沥青体系中，增强沥青的内聚力，使其抗流动性、抗氧化性和感温性等获得明显的改善。

  

图11 支撑板温度分布

图12，13示出了支撑板应变和应力分布。支撑板与销接触处因受固定约束而应变和应力较大。

  

图12 支撑板应变分布

  

图13 支撑板应力分布

妊娠期高血压疾病为妊娠期女性特有疾病，多发于妊娠20周后，其病因尚未完全明确，多认为与免疫调节功能失常、内皮细胞损伤、滋养细胞侵袭、胎盘浅着床、子宫张力过高、贫血、肥胖及遗传等因素密切相关[16-18]。全身小动脉痉挛是其主要病理特点，可导致动脉管腔变窄，血管阻力增加，血压增高，从而引发蛋白尿与水肿，同时患者机体各个脏器会由于缺血及缺氧遭受损害，且严重痉挛时可导致胎盘与子宫血流灌注匮乏，造成胎儿缺氧或者窒息，极大威胁母胎生命健康[19-21]。探寻安全有效治疗手段成为临床研究的热点课题。

  

图14 支撑板总变形分布

2.3.4 阀杆

图15所示为阀杆温度分布状态。与球体直接接触的阀杆底部趋近610℃，在强制对流作用下自下往上逐步降温，阀杆顶端温度降至36℃。

由图4可见，降粘型减水剂浓度为0.01%时，表面张力下降至61.48 mN/m，而同等浓度下普通减水剂的表面张力为65.46 mN/m；随着浓度的增大，降粘型减水剂的表面张力显著下降，而普通减水剂的表面张力却下降缓慢，趋于平缓。结果表明，降粘型减水剂具有较低的表面张力。

  

图15 阀杆温度分布

2.3.3 支撑板

  

图16 阀杆应变分布

  

图17 阀杆应力分布

1.4 统计学方法 采用SPSS 19.0统计软件进行数据分析。计量资料以x±s表示，采用t检验。以P<0.05为差异有统计学意义。

图11所示为支撑板温度分布状态。长时间持续运行条件下，与球体紧密接触的支撑板因导热且无强制对流使其整体温度也趋于与球体温度一样达到610℃。

  

图18 阀杆总变形分布

2.3.5 阀体

引进概念、定理和规则等，应从实际问题入手,经过讨论和练习，待学生初步掌握之后，再应用到实际问题之中.从具体到抽象，又从抽象到具体这样一往一返的过程，是人们认识事物的规律.也是教学中应当遵循的正确途径.

图19所示为阀体温度分布状态。因阀体内壁面与支撑板和球体直接接触表面温度为610℃，阀体外部包敷保温层而不受外部空气对流影响，长时间持续运行条件下其整体温度达到610℃。

  

图19 阀体的温度分布

图20，21所示为阀体应变和应力分布状态。阀体上方及两侧与阀盖、侧阀体和螺栓直接接触部位受固定约束而应变和应力较大。

  

图20 阀体应变分布

  

图21 阀体应力分布

图22所示为阀体总变形分布状态。阀体与阀盖的接触面温度高、受力大且不均匀而膨胀变形较大，阀体两侧受连接螺栓的固定约束而形变较小，阀体中部的高温膨胀形变最大。

  

图22 阀体总变形分布

2.3.6 阀盖

图23所示为阀盖温度分布状态。与阀体紧密接触的阀盖底端法兰温度趋近610℃，低端法兰以上部分因未包敷保温层而受强制对流影响，由下至上、由内向外逐步降温，散热片和顶端法兰外缘温度均降至50℃左右。

图18所示为阀杆总变形分布状态，与阀体、球体直接接触的阀杆下端受固定约束使其变形较小，自下向上变形逐步增大。

  

图23 阀盖温度分布

图24，25所示为阀盖应变和应力分布状态。阀盖底端法兰处温度高且与螺栓接触处受固定约束而应变和应力较大。

  

图24 阀盖应变分布

  

图25 阀盖应力分布

图26所示为阀盖总变形分布状态。因散热片较薄故变形较大，阀盖底端温度高且壁厚较薄的定位环膨胀变形最大。

  

图26 阀盖总变形分布

3 球阀数模计算与运行特性分析

根据高温高压管道球阀实际结构尺寸参数建立计算模型，并以管内油气温度和压力等现场运行实测数据作边界条件进行数模计算，着重分析高温高压持续运行条件下，球阀关键部件变形对相关部位密封效果的影响，以及表面摩擦力和粗糙度的增大与磨损等对球阀开启、闭合或调节过程中对相关部件强度及寿命的影响。

提醒事项类似于闹钟,事先设置好每一步观测流程的时间,到了对应的时间就会提醒,值班员必须手动点处理按钮才会停止闹钟。软件执行提醒事项的流程如图5所示。

式中：yi为算法预测值;为真实负荷值，n为预测点的数量。MAPE值越小表示预测结果越准确;A越接近100%,表示预测结果越准确。

3.1 球体、支撑板、阀体之间的影响

从图6，14，22可看出，与阀座直接接触的球体进出口通道部位，以及与支撑板直接接触球体顶部的变形较大且不均匀，导致球阀在开启、关闭、调节开度时的摩擦力增大。

3.2 球体、阀座之间的影响

如图10所示，阀座沿密封圈周向是均匀膨胀的，而由图6所示的球阀全开时球体总变形状态或图27所示的球阀全闭时球体总变形分布状态可见，球体与高温高压油气介质直接接触部位的变形均较大且很不均匀，不仅会增加球体与阀座间的摩擦力，还会使两者间产生缝隙而影响密封效果。

  

图27 球阀全闭时的球体总变形

3.3 材料机械性能的影响

现场运行试验与理论计算均说明金属材料性能在高温工况下会有所下降，例如在高于450℃持续运行条件下，球阀相关部件受力而产生弹性变形会随时间的延长继续变形或产生“蠕变”，并将更易于促使其产生塑性变形。如图15和17所示的阀杆温度和应力分布状态，阀杆底部所受温度接近610℃，且阀杆为转动部件，更易于产生“蠕变”或塑性变形，可见阀杆底部属于比较危险的部位。

4 结论

（1）阀杆、球体、阀座等关键部件应选用能够确保高温高压运行条件下具有更好机械性能的耐高温合金材料。

（2）通过对阀杆、球体、阀座等关键部件结构和工艺进行合理改进和最终热处理，达到改善和提高其强度、硬度和耐磨性能的目的。

（3）为防止高温状态下可能产生泄漏的问题，建议对阀盖与阀体的螺纹连接，应用热态二次紧固等工艺技术措施。

参考文献

［1］陆培文.阀门设计入门与精通［M］.北京：机械工业出版社，2009.

［2］潘永成，王勇，谢玉东.基于CFD的调节阀内流场流动特性研究［J］.机床与液压，2011，39（1）：5-7.

［3］何庆中，郭斌，董学莲，等.超超临界电站锅炉储水罐用调节阀与管配系统流场特性分析［J］.排罐机械工程学报，2016，34（11）：974-978.

［4］Anderson J D.Computational Fluid Dynamics：The Basics with Applications［M］.北京：清华大学出版社，2002.

［5］卢圣旺，马艺，郑生宏，等.不同含气率下球阀内部流动特性试验及其数值模拟［J］.液体机械，2017，45（4）：1-6.

［6］张伟政，俞树荣，张希恒，等.调节阀内部流场的数值模拟与试验分析［J］.兰州理工大学学报，2008，34（3）：65-68.