广州威克阀门有限公司

1 概述 
蝶阀结构简单，体积小，启闭迅速流阻小。目前国内生产的阀门中，将工作温度t＞450℃的蝶阀称为
高温蝶阀。

 某公司烟机入口的调节阀采用DN1200电液高温蝶阀，其阀体结构为双偏心形式，且阀体与管道采用焊接连接。高温蝶阀的操作温度为650℃，阀座和蝶板的材质为0Cr18Ni9。高温双偏心蝶阀常采用两种形式，即蝶阀筋板可采用垂直放置和斜置两种形式。为探讨两种结构形式的强度，利用AN-SYS有限元分析软件提供的APDL语言编程参数化技术对不同筋板放置下的蝶阀阀座建立较为精确的三维有限元模型，分析两种结构在内压6MPa（水压试验压力）的应力分布。
 

   2 有限元模型

    2.1 几何模型

    利用ANSYS分别建立蝶阀阀座在筋板垂直及斜置状态下的三维几何模型（图1），其中斜置筋板与阀座中心横切面所成的角度为25°。阀门操作压力为0.26MPa，阀座外覆防水泡沫石棉保温材料，厚度为80～100mm，由于只考虑阀座筋板对阀座强度的影响，故保温层可以忽略不计。

（a）蝶阀筋板垂直放置    （b）蝶阀筋板斜置

图1 垂直和斜置筋板下的阀座三维模型

    2.2 网格划分

    对阀座应力分析计算采用SOLID45单元，其具有三维8节点，每个节点有三个沿着x、y及z方向平移的自由度。阀座在内压下强度的分析未考虑温度分布和保温层的影响。

    当蝶阀筋板垂直放置时，考虑到几何模型的复杂性，为保证网格质量和分析结果的准确性，将整体分析模型细分为较小的体积块，并依次进行网格划分，确保有限单元网格的光滑过渡。考虑到两端支撑边界对蝶阀受力情况的影响，这里将阀座模型向两端各延长600mm。整体有限单元模型如图2（a）所示，共15986个SOLID45单元。当蝶阀筋板倾斜放置时，考虑到几何模型的复杂性，中间采用自由网格划分，整体有限元模型如图2（b）所示，共12813个SOLID45单元。

（a）蝶阀筋板垂直放置（b）蝶阀筋板斜置

图2 垂直和斜置筋板下的阀座网格划分模型

    2.3 材料属性及边界条件

    根据蝶阀的操作条件，确定其材料属性、初始条件及边界条件。

    （1）材料属性

    蝶阀材质为0Cr19Ni9，即304不锈钢。弹性模量为1.95×10⁵MPa，泊松比为0.3。值得注意的是，模型两端延长部分采用相同的材料属性。

    （2）边界条件

    在模型入口端的断面上施加固定边界，而另一端的断面保持为平面，即耦合轴向方向的位移。

    （3）载荷

    根据水压试验压力，阀座内压取为6MPa。在阀座保持为平面的一端及接管的端部施加响应的轴向拉力P。

    

    式中  P———轴向拉力

    P_i———内压

    R_i———内径

    R_o———外径

    所以，阀座保持为平面一端的轴向拉力P₁为

    

    接管端部的轴向拉力P₂为

    

    综上分析，载荷条件压力载荷和轴向拉力载荷，边界条件为轴向位移约束。

    3 计算结果及分析

    3.1 筋板垂直放置时阀座应力分析

    图3（a）显示了蝶阀阀座的径向应力，结果表明蝶阀阀座的径向应力较小，最大径向应力值在接管与筒体连接的附近，约为35MPa。值得注意的是，分析中将入口一侧取为固定支撑，而另一端自由支撑，这样处理并不是实际工况，仅为平衡阀座的各项应力，而根据圣维南原理，该固定边界仅影响固定支撑附近的应力状态，而不影响远端的应力状态。因此，分析中仅显示了阀座的应力状态，并没有显示分析时延长部分的应力状态。图3（b）显示了蝶阀阀座的周向应力，结果表明蝶阀阀座的周向应力较大，最大值在接管与筒体内壁连接处，约为191.14MPa。图3（c）显示了蝶阀阀座的轴向应力，结果表明蝶阀阀座的轴向应力较小，最大应力值在接管与筒体外壁连接处，约为74.8MPa。图3（d）显示了蝶阀阀座的MISES等效应力，结果表明蝶阀阀座的MISES等效应力较大，最大等效应力值在接管与筒体外壁连接处，约为191MPa。

（a）阀座径向应力   （b）阀座周向应力

（c）阀座轴向应力   （d）阀座MISES等效应力

图3 筋板垂直放置时阀座应力场

    考虑到筋板垂直放置时蝶阀阀座的最大等效应力值在短接管与筒体外壁连接处，根据最大应力处的壁厚方向选取了3条应力线性分析路径（图4）。

图4 筋板垂直放置时阀座应力线性化路径

    GB150中304不锈钢在常温下的许用应力为137MPa，取安全系数为1.5，则304的屈服极限为205.5MPa。各路径应力评定结果如表1所示。

表1 筋板垂直放置时各路径应力评定结果   MPa

    由分析结果可知，筋板垂直放置时蝶阀阀座的最大应力满足水压试验的要求。分析中未考虑疲劳载荷的影响，因此对总应力不做评定。

    3.2 筋板倾斜放置时阀座应力分析

    图5（a）显示了筋板倾斜放置时蝶阀阀座的径向应力，结果表明其径向应力较小，最大值在接管与筒体连接的附近，约为26MPa。图5（b）显示了蝶阀阀座的周向应力，结果表明蝶阀阀座的轴向应力较大，最大值在接管与筒体内壁连接处，约为164.2MPa。图5（c）显示了蝶阀阀座的轴向应力，结果表明蝶阀阀座的轴向应力较小，最大轴向应力值在筋板与筒体内壁连接处，约为73.7MPa。图5（d）显示了蝶阀阀座的MISES等效应力，结果表明蝶阀阀座的MISES等效应力较大，最大等效应力值在短接管与筒体外壁连接处，约为154.1MPa。

（a）阀座径向应力    （b）阀座周向应力

（c）阀座轴向应力    （d）阀座MISES等效应力

图5 筋板倾斜放置时阀座的应力场

    考虑到筋板倾斜放置时蝶阀阀座的最大等效应力值在短接管与筒体外壁连接处，这里根据最大应力处的壁厚方向选取了3条应力线性化分析路径（图6）。

图6 筋板倾斜放置时阀座应力线性化路径

    各路径应力评定结果如表2所示。

表2 筋板倾斜放置时各路径应力评定结果    MPa

    4 结语

    （1）采用ANSYS软件，分别对筋板在垂直及倾斜放置状态下加载分析，获得了高温蝶阀阀座的径向、周向、轴向和MISES等效应力场情况，对两种阀座的承载能力进行了对比分析，为高温蝶阀的结构优化和安全选型提供参考依据。

    （2）计算结果表明，筋板垂直放置时蝶阀阀座的最大等效应力在短接管与阀座筒体内壁连接处，且最大值为191.14MPa。筋板倾斜放置时蝶阀阀座的最大等效应力也在短接管与阀座筒体内壁连接处，且最大值为154.1MPa。

    （3）值得注意的是，虽然二者的最大等效应力均在短接管与阀座筒体内壁连接处，但其开孔位置不同。如果仅考虑内压的作用，筋板倾斜放置时蝶阀阀座的承载能力较高。根据弹性设计准则，筋板倾斜放置时蝶阀阀座的承载能力约为垂直放置时阀座的1.24倍。 

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