徐 健，蒋永兵，陈 尧，冯 浩，廖 静

(重庆川仪调节阀有限公司，重庆 400707)

0 引言

在应对高温工况时，通常采用增加阀门上阀盖高度的方式以降低填料函和执行机构处的温度。这种伸长型高温上阀盖通常为焊接分段式。整体式高温上阀盖则是在锻件或棒料上采用特殊刀具直接加工出自带散热板结构型式的上阀盖。

与传统伸长型高温上阀盖相比，整体式高温上阀盖加工工序简单，无需焊接，既避免了焊接可能产生的缺陷，也避免了上阀盖材质特殊时焊条价格较为昂贵等问题。此外，整体式高温上阀盖因散热效果较好，无需过度增加上阀盖高度，可大大降低成本，同时也能减少执行机构带给阀体的倾覆力矩[1]。

1 整体式高温上阀盖模型建立

1.1 模型简化

整体式高温上阀盖装配如图1所示。考虑到执行机构的温度与支架有密切关联，而填料函底部的温度仅与整体式高温上阀盖有关，本文以填料函底部温度作为评定整体式高温上阀盖散热效果的指标；考虑到高温上阀盖结构的高度对称性，仿真分析时采用1/2模型；因忽略热辐射的影响，故在仿真分析时，采取底端施加介质的温度载荷替代阀门部件对上阀盖的散热影响。

图1 整体式高温上阀盖装配示意图

仿真模型如图2所示。

图2 仿真模型示意图

1.2 网格无关性验证

在模型的网格划分过程中，采用自适应网格和局部网格控制技术划分网格，并进行网格无关性验证，如表1所示。最终选择上阀盖划分网格单元12 635个。网格划分如图3所示。

表1 网格无关性验证

图3 网格划分图

1.3 模型参数确定

介质为525 ℃的高温工艺气，高温阀门选用DN100 Class150上。阀盖材质为Incoloy800。该材质具有长期使用的抗高温腐蚀性和良好的加工性。阀杆材质为Inconel718。该材质在高温条件下具有很高的机械性能。考虑到上阀盖与阀杆之间的介质流动性极差，可视为介质仅发生热传导[2]，材料物理性能[3]如表2所示。仿真分析中，上阀盖底部与介质接触处施加恒定温度525 ℃、对流换热系数11.63 W/(m2·℃)，环境温度取20 ℃[4]。

表2 材料物理性能

2 整体式高温上阀盖散热理论

2.1 散热板传热理论

因整体式高温上阀盖散热板厚度较小，忽略厚度方向的温度梯度，其传热方式与低温阀滴水盘传热方式相似。散热板的传热方式包括径向的热传导和表面与空气的自然对流换热。对于稳态传热，根据能量守恒，对散热板进行环向微元体分析，得到传热微分方程[2]：

(1)

式中：r为散热板直径；δ为散热板厚度；λ为导热系数；t为散热板表面温度；t0为空气温度；h为对流换热系数。

2.2 有限元稳态传热方程

有限元稳态传热方程为：

KT=Q

(2)

式中：K为含有导热系数、对流换热系数、辐射率、形状系数的传导系数矩阵；T为含有所有节点温度的列矩阵；Q为含有所有节点热流率的列矩阵。

上述矩阵均采用ANSYS Workbench，根据模型几何参数、材料热力学参数以及边界条件来生成[5]。

3 整体式高温上阀盖散热仿真分析

3.1 介质对阀杆与上阀盖间隙的散热影响

一方面，介质为高温气体时，导热系数会非常小；另一方面，阀杆和上阀盖之间的间隙较小，介质流动性较差。在不考虑介质相变的前提下，介质仅以热传导的方式在阀杆和上阀盖之间进行换热[6]。本实例中，上阀盖与阀杆之间的间隙为单边1.5 mm。有、无间隙的温度分布如图4所示。

图4 有、无间隙的温度分布图

介质层的径向热传导如图5所示。

图5 介质层的径向热传导图

由图4可知：有间隙介质时，上阀盖填料函处最高温度为96.608 ℃；无间隙介质时，上阀盖填料函处最高温度为111.76 ℃，与有间隙介质的结果相差15.7%。由图5可知，即便介质层仅有1.5 mm，但从与阀杆接触的232.75 ℃到与上阀盖接触的96.61 ℃可看出，介质与阀杆、上阀盖之间的热传导进行得相当剧烈。这从侧面验证了：对于高温气体介质的温度传热仿真分析，应充分考虑间隙的热传导对温度结果的影响[7-8]。

3.2 整体式高温上阀盖的散热效果

伸长型上阀盖温度分布如图6所示。

图6 伸长型上阀盖温度分布图

整体式高温上阀盖采用特殊刀具，在锻件或棒料上加工出自带散热板结构。该结构型式既受到特殊刀具最大加工沟槽尺寸的影响，又受到上阀盖所需锻件或棒料规格的限制。通过仿真分析，要达到相同的温度效果，所需伸长型上阀盖高度为380 mm[9]。

由图4与图6可知，整体式高温上阀盖在高度为235 mm时，填料函底部最高温度为96.608 ℃；伸长型高温上阀盖在高度为380 mm时，填料函底部最高温度为94.729 ℃。两种情况所能确保的填料函底部温度相当，但整体式高温上阀盖在高度上却能降低38.2%，效果显著。

3.3 整体式高温上阀盖散热影响因子分析

影响整体式高温上阀盖散热的因素较多，散热板直径深度、散热板数量和散热板间距等因素都会影响温度分布。本实例中，刀具所能加工的最大散热板直径深度为29 mm、散热板间距最小为3 mm，不影响上阀盖螺栓安装的散热板数量最多为7块。采用正交分析方法，研究了散热板直径深度、散热板数量和散热板间距这3个因素对整体式上阀盖的散热影响。4因素3水平的正交分析[10]如表3所示。

表3 4因素3水平的正交分析表

表3中：A为散热板数量，块，取值分别为A1=7、A2=5、A3=3;B为散热板直径深度，mm，取值分别为B1=29、B2=25、B3=21;C为散热板间距，mm，取值分别为C1=29、C2=25、C3=21。

正交分析中，影响因子平均水平为：

同理可得RC=9.50。

由各影响因子平均水平可知：散热板数量越多，散热板直径越大，散热板间距越大，越有利于散热；由各影响因子的极差RA>RB>RC可知，对于整体式高温上阀盖而言，散热板数量是其散热的最大影响因子。

4 结论

采用ANSYS Workbench对整体式高温上阀盖进行了温度分布仿真模拟，并结合正交分析方法对影响整体式高温上阀盖的因素进行了研究分析，得到如下结论。

①整体式高温上阀盖结构散热效果显著，建议大量推广到实际应用中。

②介质为高温气体时，应考虑阀杆与上阀盖之间介质的热传导作用。

③整体式高温上阀盖散热板的数量为最大的散热效果影响因子。在实际设计中，可适当增加高度、保证散热板数量以达到散热需求。