高加疏水调节阀瞬态热应力分析

高加疏水调节阀瞬态热应力分析
摘要：高加疏水调节阀具有较高平衡性，常用于火电厂高加疏水。

其应用主要
目的为调控饱和水流经，是三级套筒特别调节构造，确保节流阀不出现空化问题。

基于此，本文借助传热基本理论以及限元方式，结合ANSYS软件，对高加疏水调
节阀稳定性进行测试。

在这一过程中，经过软件所得数据，有利于探寻温度、时
间对调节阀的影响，计算出高加疏水调节阀瞬态热应力，希望为更多火力发电厂
高温、高压阀门设计提供参考建议。

关键词：高加疏水；调节阀；瞬态热应力；热冲击
前言
高加疏水调节阀主要应用于高温、高压环境，此种环境对调节阀稳定性提出
更高要求。

因此，在高加疏水调节阀设计工作中，应充分考量温度、压力等多种
问题，并结合温度场与应力场带来的影响，不断优化高加疏水调节阀设计方案，
从而确保高加疏水调节阀可靠性与实用性。

但是，对高加疏水调节阀文献进行研究，主要涉及热冲击或是某种材料的研究工作，高加疏水调节阀整体研究相对薄弱，并丰富研究经验。

1、高加疏水调节阀结构特征与材料性能
1.1高加疏调节阀结构特征
对高加疏水调节阀结构进行剖析，该结构主要为阀体、阀盖、阀杆几部分组成，其中，含有阀芯、套筒等零部件。

在调节阀工作时，其内部介质压力数值为2.7Mpa、稳定数值在200℃左右，为提升调节阀的计算与分析能力，得到精准瞬
时热应力数值，在具体工作中，首先，应对高加疏水调节阀进行简化处理，并在
这一过程中充分结合调节阀内部对称构造，在瞬态热应力分析过程中，选取一般
模型进行理论分析与研究。

1.2高加疏水调节阀材料性能
要想得到高加疏水调节阀瞬态热应力，在具体工作中，应当掌握调节阀材料
性能，并对调节阀各部分材料性能进行系统分析，从而得到精准数据结果。

因此，本文对高加疏水调节阀各部分材料性能进行分析，对各部分结构所用材料、抗拉
强度、屈服强度以及许用应力进行收集[1]，具体内容如下所示：
高加疏水调节阀材料性能各项数据
2、高加疏水调节阀有限元法方程
对高加疏水调节阀进行综合分析，该调节阀在实际运用过程中，主要依靠热
传导与热对流方式，在调节阀内部借助主要零部件与不同结构进行传导，而调节
阀的内壁、外壁需要结合空气、阀内外温度与高温借助，才能完成热对流。

因此，在这一过程中，应结合高加疏水调节阀的热传导温度（kx、ky、kz）、温度（T）
与材料比热（CT）进行计算与分析，具体公式内容如下所示:
在这一过程中，应结合上述公式，并对热对流进行计算，并求得热对流密度、交换系数、调节阀表面温度以及周围温度，对得到的结果进行分析，并遵循能量
守恒基本定律，对瞬态温度场进行计算，从而得到稳定的系数矩阵[2]。

在得到系
数矩阵后，应对非稳定系数状态进行分析，获得非稳定温度系数矩阵，并根据已
知的列向量，求得最终前一刻温度场。

如果在这个计算过程中，将高加疏水调节
阀作为荷载，对瞬态热应力进行分析与计算，能够得到较为精准计算结果，不断
提升整体计算精度。

与此同时，在温度计算过程中，应当考量其他因素带来的影响，对温度变化进行综合分析，如果在温度出现较大变化时，其中的步长数值可
以取较小一级数值，反之，则应取较大数值。

3、高加疏水调节阀瞬态分析
3.1瞬态模拟计算分析
在高加疏水调节阀应用过程中，应结合实际的使用情况，对调节阀所承受的
温度与压力进行计算。

绝大部分的高加疏水调节阀主要应用外部保温方式，此种
保温方式具有一定的绝热性，因此，在实际的计算过程中，应当遵循隔热处理原则，对调节阀上的阀盖与部分空气对流产生的热为主，当阀壁温度达到既定数值，应进行表面对换热处理，并结合计算软件ANSYS[3]，对高加疏水调节阀的瞬态热
应力进行分析，构建瞬态热应力模块。

当高温进入高加疏水调节阀中，其内部温
度瞬间提升，在两秒时间内，内壁温度能够达到70℃左右，但是，在继续传热过
程中，会受到较厚调节阀内壁以及零部件影响，使温度不断下降，最终达到35℃
左右。

高加疏水调节阀内外壁温度具有一定差异，变化并不明显。

但是，随着时
间不断增加，当试验时间达到120秒时，内壁温度逐渐呈现梯度变化。

再此阶段，调节阀的内外温度逐渐增大。

当时间达到300秒左右，温度在200℃，高加疏水
调节阀内部基本趋向稳定，但是，此时的传热具有明显变化更为缓慢。

当时间在600-3600秒左右后，梯度变化更为明显。

当时间达到7200秒后，温度再次趋于
稳定。

为深入研究，得到更为精确的试验结果，应当对调节阀内部高温介质进行
分析，并进行填料、取料等多项工作，对高加疏水调节阀不同部分作为调节点，
继续观察工作，从而结合时间以及温度变化，绘制相应图标，从而得到具体时间
变化与规律。

在温度变化以及时间精准度问题控制上，应设定载荷子步，随着时
间的间隔不断增大，对阶跃进行计算，从而选定最终温度变化节点，合理设置温
度场。

3.2态应力计算分析
根据高加疏水调节阀实际运行情况，通过施加压力，控制调节阀内部介质压力，对于出口流道压力区域，为提升其稳定性，应做好加固工作，运用螺栓预紧力，将荷步温度与调节阀温度场进行设定，在设定中应保持温度一致。

在此种设
置过程中，为深入了解高加疏水调节阀的时间变化以及规律，应当结合上述观察点，对应力曲线进行分析。

在0-7200秒试验过程中，调节阀内部应力应随时变化。

此外，对调节阀阀体进行分析，调节阀的阀体具有承载部件。

因此，应结合阀体
承载能力，选择适合观察时间，深入了解观察点应力分布情况。

观察开始后，仅
2秒时间，阀体内壁受到较大冲击力，其应力值在198Mpa左右。

再加上梯度温
度存在，出现较大压力差。

当时间在60秒左右，压力约为328Mpa，且小于应力值，能够达到调节作用。

当时间逐渐延长，压力与温度逐渐上升，虽然换热逐渐
降低，但是，整体压力却呈现下降趋势。

当时间达到3600-7200秒左右，调节阀
体温度趋向稳定，此时为最大应力，约为134MPa能够满足瞬态应力要求。

当介
质流入调节阀内，受到冲击作用影响，调节阀内壁受到较大冲击，压力值上升约
为235MPa，当介质流入速度趋于平缓，随着时间增加，压力达到最大值，数值
为108MPa。

根据不同的观察点，对这一现象进行分析，随着时间不短延长，调
节阀内壁温度与压力从上升状态不断下降，在进一步实验过程中，会出现一定波动，并在继续加压加温中，温度、压力逐渐趋于平缓，最终获得最大数值。

因此，在高加疏水调节阀设计工作中，应当关注调节阀的瞬时温度承载力设计环节[4]，
并在介质流入后，对介质流入的温度与速度加以管控，避免较大冲击对调节阀造
成损坏。

在特定数值，调节阀内部温度、压力会出现较大变化，应结合最大变化与最终数值，合理设计调节阀，从而提升调节阀抗冲击能力。

4、结束语
在本次研究中，以高加疏水调节阀为例，对调节阀运行过程中产生的瞬态热应力进行分析，并在这一过程中结合限元计算与分析软件，构建瞬态热与耦合模型，在实验中不断增加时间，对瞬态温度进行阶梯式调节，希望能够得到稳定的计算结果，对得到的结果进行对比，最终提升高加疏水调节阀输水量控制能力，在严苛环境下维护调节阀稳定，确保调节阀所在机组能够安全运行。

参考文献
[1]刘玲.疏水调节阀瞬态热应力研究[J].流体机械,2019(9):21-26.
[2]张景松,高群芳,蔡延龙.高加疏水管线泄漏原因分析与改进措施[J].中国高新技术企业2018(5):111-112.
[3]王勇.1000MW机组高加疏水调节阀可靠性改造[J].电力安全技术
2018(11)45-47.
[4]王德学.机组高压加热器疏水系统的研究和改进[J].中国电力2019 (12):28-30.。