高溫高壓直角截止閥由于開閉過程中密封面之間摩擦力小，比較耐用，開啟高度不大，制造容易，維修方便，不僅適用于中低壓，而且適用于高壓，已成為工業(yè)上使用最廣泛的一種閥門。本文主要利用商用有限元軟件ANSYS，模擬研究了工業(yè)用高溫高壓(1800 K ～ 1900 K，2 MPa～ 6 MPa)直角截止閥的關(guān)閉和開啟狀態(tài)時(shí)，流體介質(zhì)、閥體和閥芯的溫度場分布。研究發(fā)現(xiàn)，盡管1.6 m/s 的循環(huán)冷卻水，可以較好的冷卻關(guān)閉狀態(tài)下高溫高壓截止閥的整體溫度，絕大部分溫度均接近于室溫(包括閥芯內(nèi)壁)，介質(zhì)入口處最高溫度也只有492.3 K。反觀開啟狀態(tài)下，閥芯和閥體的溫度場和峰值溫度均明顯升高，最高可達(dá)1350 K，閥芯內(nèi)壁溫度也明顯高于室溫。因此，為保證開啟狀態(tài)下截止閥在高溫高壓環(huán)境中，可靠穩(wěn)定工作，建議適當(dāng)提高循環(huán)冷卻水的流速，并適當(dāng)增加閥體和閥芯的壁厚。此外，由于截止閥每周期內(nèi)關(guān)閉時(shí)間較長(達(dá)4～6 小時(shí))，為降低冷卻成本，避免浪費(fèi)能源，應(yīng)對循環(huán)水冷卻系統(tǒng)進(jìn)行智能控制，當(dāng)截止閥處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，可實(shí)現(xiàn)周期性降低循環(huán)水流速，滿足不同階段的冷卻需求。

　　隨著社會(huì)的發(fā)展和科技的進(jìn)步，各種輸氣和輸液管路系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用。閥門是管路系統(tǒng)中控制流動(dòng)方向、流量和壓強(qiáng)等的必不可少的控制元件。閥門為了達(dá)到其控制功能而需采用復(fù)雜的內(nèi)流道形式，這往往造成了閥門部位流動(dòng)速度和壓強(qiáng)的強(qiáng)烈變化，并由此引發(fā)局部壓強(qiáng)損失、空化、振動(dòng)和噪聲等負(fù)面問題，從而影響閥門流體動(dòng)力性能、安靜性能等重要使用指標(biāo)，甚至?xí)�造成閥門本身和鄰近管路及設(shè)備的疲勞破壞。

　　本文所研究的高溫高壓直角截止閥，也叫截門，是使用最廣泛的一種閥門，它之所以廣受歡迎，是由于開閉過程中密封面之間摩擦力小，比較耐用，開啟高度不大，制造容易，維修方便，不僅適用于中低壓，而且適用于高壓。它的閉合原理是，依靠閥杠壓力，使閥瓣密封面與閥座密封面緊密貼合，阻止介質(zhì)流通。截止閥屬于強(qiáng)制密封式閥門，所以在閥門關(guān)閉時(shí)，必須向閥瓣施加壓力，以強(qiáng)制密封面不泄漏。當(dāng)介質(zhì)由閥瓣下方進(jìn)入閥門時(shí)，操作力所需克服的阻力，是閥桿和填料的摩擦力與由介質(zhì)的壓力所產(chǎn)生的推力，從自密封的閥門出現(xiàn)以后，截止閥的介質(zhì)流向就改由閥瓣上方進(jìn)入閥腔，這時(shí)，在介質(zhì)壓力作用下，關(guān)閥門的力小，而開閥門的力大，閥桿的直徑可以相應(yīng)地減小。同時(shí)，在介質(zhì)作用下，這種形式的閥門也較嚴(yán)密。

1、結(jié)構(gòu)

　　角式迷宮截止閥主要由氣缸、支架、銷軸、填料壓蓋、填料軸套、支架、閥芯和閥體等部分組成。直角截止閥的有限元分析：

　　截止閥的設(shè)計(jì)參數(shù)：

　　(1)閥桿閥芯材質(zhì)擬選擇INCONEL625；

　　(2)角閥的構(gòu)造，口徑DN150，工作壓力6MPa；

　　(3)工況：空氣介質(zhì)從角閥底進(jìn)側(cè)出。開啟狀態(tài)下工作溫度1800K，工作壓力6MPa，空氣流量3 kg/s，工作時(shí)間60 s；關(guān)閉狀態(tài)下介質(zhì)恒溫1900 K，工作壓力2MPa，持續(xù)時(shí)間4~6 小時(shí)。

　　本文通過利用商用有限元軟件ANSYS，計(jì)算分析角閥各部件(重點(diǎn)為角閥閥桿最底部的球面)內(nèi)外壁的溫度場分布，然后根據(jù)溫度場及峰值溫度位置等信息，通過調(diào)整角閥材料和壁厚或者加大循環(huán)水流速，最終實(shí)現(xiàn)直角截止閥滿足高溫高壓的工作要求，這對指導(dǎo)工業(yè)用高溫高壓直角截止閥的設(shè)計(jì)制造具有重要的指導(dǎo)意義。

2、數(shù)值模擬和結(jié)果分析

　　首先，我們分析一下高溫高壓直角截止閥處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，各部件內(nèi)外壁的具體溫度分布以及最高溫度位置。

　　(1)關(guān)閉狀態(tài)：

　　循環(huán)水入口溫度=25 ℃；循環(huán)水冷卻流速=1.6 m/s；空氣介質(zhì)溫度=1900 K；空氣介質(zhì)入口質(zhì)量流率=0 kg/s；空氣介質(zhì)內(nèi)部靜態(tài)壓力=2 MPa

　　圖1 所示為關(guān)閉狀態(tài)下，閥門整體中截面(含空氣介質(zhì)和冷卻水)的溫度分布云圖。如圖1 所示，發(fā)現(xiàn)閥體、閥芯與流體接觸表面溫度場均分布均勻，整體溫度較低。說明關(guān)閉狀態(tài)下，當(dāng)前循環(huán)冷卻水的冷卻能力足以冷卻直角截止閥在1900 K 和2 MPa 壓力工況下可靠工作。

圖1. 關(guān)閉狀態(tài)，流體介質(zhì)和閥門中截面溫度分布圖

　　此外，關(guān)閉狀態(tài)下，介質(zhì)與閥體整體接觸表面最高溫度為429.3 K，說明冷卻水的冷卻效果明顯，可保證關(guān)閉狀態(tài)下，閥門整體溫度不致過高。此外，閥體接近冷卻水的部位溫度基本接近室溫。越接近介質(zhì)入口位置處，閥體內(nèi)外壁溫度越高，最高達(dá)429.3 K。值得注意的是，閥體中的連接法蘭部位，由于沒有直接循環(huán)水的強(qiáng)制冷卻效果，導(dǎo)致此處溫度偏高，達(dá)363.6 K 左右。而且，關(guān)閉狀態(tài)下，閥芯外壁最大溫度等于393.6 K，出現(xiàn)于介質(zhì)流體中軸線與閥芯外壁的接觸部位，但是閥芯內(nèi)壁最高溫度卻接近于25 oC，這主要是冷卻水的強(qiáng)制冷卻的結(jié)果。

　　接下來，我們分析了高溫高壓直角截止閥由關(guān)閉狀態(tài)轉(zhuǎn)變成開啟狀態(tài)時(shí)，循環(huán)冷卻水的流速保持不變。各部件內(nèi)外壁的具體溫度分布以及最高溫度位置。

圖2. 開啟狀態(tài)閥門整體中截面溫度場分布云圖

　　(2)開啟狀態(tài)：

　　循環(huán)水入口溫度=25 ℃；循環(huán)水冷卻流速=1.6 m/s；空氣介質(zhì)溫度=1800 K；空氣介質(zhì)入口質(zhì)量流率=3 kg/s；空氣介質(zhì)內(nèi)部壓力=6 MPa。圖2 所示分別為開啟狀態(tài)下，截止閥中截面(含閥體和介質(zhì))工作時(shí)的溫度場云圖。如圖2 所示，開啟狀態(tài)時(shí)，閥門整體溫度分布均勻，溫介質(zhì)出口處溫度較高，出口處與高溫介質(zhì)接觸的閥體管壁內(nèi)側(cè)溫度部分均已超過1000 K，由于循環(huán)水的強(qiáng)制冷卻作用，溫度傳導(dǎo)對閥門遠(yuǎn)端區(qū)域基本無影響。

　　分析發(fā)現(xiàn)，開啟狀態(tài)下，高溫介質(zhì)出口處閥體內(nèi)表面溫度最高，最高達(dá)1350 K。盡管循環(huán)水流速達(dá)到1.6 m/s，但閥體與介質(zhì)接觸部位的內(nèi)外壁溫度均明顯高于室溫，溫度偏高，所以此時(shí)的閥門的服役可靠性非常值得關(guān)注。

　　開啟狀態(tài)下，閥芯外壁最大溫度達(dá)735.1 K，閥芯內(nèi)壁最大溫度也在500 K 左右，位于與介質(zhì)直接接觸的閥芯圓頭位置。盡管開啟狀態(tài)下的介質(zhì)初始溫度(1800 K)低于關(guān)閉狀態(tài)下介質(zhì)的初始溫度(1900 K)，但是開啟狀態(tài)下閥芯的峰值溫度均明顯高于關(guān)閉狀態(tài)下的閥芯的峰值溫度。這可能是由于開啟狀態(tài)下介質(zhì)的流體壓強(qiáng)(6 MPa)高于關(guān)閉狀態(tài)下介質(zhì)的流體壓強(qiáng)(2 MPa)，使得開啟狀態(tài)下，介質(zhì)高速流過閥體和閥芯，不斷引入新的熱量，使得循環(huán)水的冷卻效果下降，并最終達(dá)到熱動(dòng)態(tài)平衡。而關(guān)閉狀態(tài)下流體介質(zhì)處于應(yīng)處于靜止穩(wěn)定狀態(tài)，較少引入新的熱量，介質(zhì)與閥體、閥芯和循環(huán)水間達(dá)到靜態(tài)熱平衡。因此，開啟狀態(tài)下，閥體和閥芯的峰值溫度和整體溫度場分布偏高。

3、討論

　　通過比較關(guān)閉狀態(tài)和開啟狀態(tài)下，直角截止閥閥體和閥芯的溫度場和峰值溫度，我們發(fā)現(xiàn)，盡管1.6 m/s 的循環(huán)冷卻水，可以較好的冷卻關(guān)閉狀態(tài)下高溫高壓截止閥的整體溫度，絕大部分溫度均接近于室溫(包括閥芯內(nèi)壁)，介質(zhì)入口處最高溫度也只有492.3 K。反觀開啟狀態(tài)下，閥芯和閥體的溫度場和峰值溫度均明顯升高，最高可達(dá)1350 K，閥芯內(nèi)壁溫度也明顯高于室溫。因此，為保證開啟狀態(tài)下截止閥在高溫高壓環(huán)境中，可靠穩(wěn)定工作，建議適當(dāng)提高循環(huán)冷卻水的流速，并適當(dāng)增加閥體和閥芯的壁厚。但由于截止閥每周期內(nèi)關(guān)閉時(shí)間較長(達(dá)4～6 小時(shí))，為降低冷卻成本，避免浪費(fèi)能源，應(yīng)對循環(huán)水冷卻系統(tǒng)進(jìn)行智能控制，當(dāng)截止閥處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，可實(shí)現(xiàn)周期性降低循環(huán)水流速，滿足不同階段的冷卻需求。

4、結(jié)論

　　本文利用商用有限元軟件ANSYS，模擬研究了工業(yè)用高溫高壓(1800 K ～ 1900 K，2 MPa～ 6 MPa)直角截止閥的關(guān)閉和開啟狀態(tài)時(shí)，流體介質(zhì)、閥體和閥芯的溫度場分布。通過模擬結(jié)果對比，我們發(fā)現(xiàn)，循環(huán)冷卻水(1.6 m/s)可以較好的滿足關(guān)閉狀態(tài)下截止閥的冷卻要求，除冷卻水未流經(jīng)的連接法蘭和高溫高壓介質(zhì)流入位置外，絕大部分溫度均接近于室溫(包括閥芯內(nèi)壁)，介質(zhì)入口處最高溫度也只有492.3 K。但開啟狀態(tài)下，閥芯和閥體的溫度場和峰值溫度均明顯升高，最高可達(dá)1350 K，閥芯內(nèi)壁溫度也明顯高于室溫。因此，為保證開啟狀態(tài)下截止閥在高溫高壓環(huán)境中，可靠穩(wěn)定工作，建議適當(dāng)提高循環(huán)冷卻水的流速，并適當(dāng)增加閥體和閥芯的壁厚。