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1 引言
效率高是超临界锅炉的突出特点，常规超临界机组比亚临界机组高2%左右，相应于减少煤耗5%左右，这就大大提高了电厂的经济效益，而且污染物的排放也大幅度减少，所以从环保角度看，超临界机组也具有十分突出的优点。另外，从国外超临界机组的运行来看，超临界的运行可靠性也得到大幅度提高，大容量超临界锅炉具有良好的启动运行和调峰性能，能够满足电网负荷的调峰要求，并且在较大的负荷范围30%～100% 额定负荷内变压运行。变负荷率比常规锅炉高约10 个百分点，当然超临界机组相应位置的压力和温度更高，因而对于材料和工艺的要求也更高。对制造技术和生产设备也提出了更高的要求。根据我国目前电力工业的实际情况和国民经济发展的需要，目前应以攻关关键技术、发展大型超临界机组为重点来发展和加强发电装备工业。其研究的主要研究内容也包括超临界机组高参数阀门的国产化工作。国产化高参数DN250 闸阀已可以在理论上为国产600MW 超临界机组实现配套。高参数闸阀模型如图1 所示：
图1 高参数闸阀Z962Y-2500Lb DN250 模型
目前，针对高参数阀门以及核电阀门产品，我公司以Inventor 软件为基础平台对阀门零件进行立体模型的建立。通过数据接口，将Workbench 软件作为一个模块集成到Inventor 中。在Workbench 中定义阀门零件材料属性、划分网格、施加载荷、定义约束，并将结果输出到ANSYS 中，按照分析设计方法（JB4732）进行应力线性化处理，提取阀门零件的一次薄膜应力、薄膜+弯曲应力等参数同设计应力强度值作比较。
阀门设计参数
阀门型号：Z962Y-2500Lb DN250
设计温度：T=200℃
设计压力：P=42MPa
阀体材料：SA-217 WC9
2 实体造型
Inventor 软件模型的设计过程实际上是实体特征的堆积过程，在堆积过程中通过布尔运算对零件进行添加和切削，最后形成实体模型。添加和切削材料只有通过一定的成型方式才能形成所需要的实体形状，拉伸和旋转式最基本的成型方法。阀门零件形状虽然不太规范，结构也较复杂，但由于Inventor软件的技术特点，在设计时操作就很简洁，通过使用添加和切削以及拉伸、旋转等功能即可完成零件的大部分建模，阀体零件模型如图2 所示。
图2 阀体模型及特性参数
在完成零件的设计后，启动物理特性分析功能，输入材料名称，能快速准确地得出零件的质量、面积、体积、重心、惯性特征等参数，可以很方便的为质量重、外形结构复杂的大零件找到吊装孔等工艺位置，省去了以前繁琐的质量计算和重心位置的确定，为产品的后继开发和成本测算打下坚实的基础。
3 应力分析
在Inventor中建立好零件模型后，直接转化到Workbench中进行零件的材料属性定义、网格划分、施加载荷、定义约束、求解等操作。首先定义阀体材料的属性，例如弹性模量、泊松比等参数，材料数据表如图3 所示。
图3 阀体材料物理参数
在对阀体零件的网格划分中，选择系统默认的Solid187和Surf154单元，根据零件的大小选择适合的网格划分密度，与介质接触的内表面进行网格的进一步细化并确保在面上有规则的网格。网格划分结果如图4 所示，网格划分精度合理，满足设计要求。
根据阀体的受力情况分析，在阀体与介质接触的内表面承受设计内压42MPa ，阀体出入口两端固定，在剖开阀体的中截面上施加对称约束载荷。阀体受力情况如图5 所示。
图4 阀体网格划分结果
图5 阀体受力情况
4 应力评定
在基于应力分析和应力分类的强度评定中采用第三强度理论（即Tresca 强度理论）。进行评定时，按照应力云图显示结果，在认为最危险的截面处选取穿过壁厚的应力评定线，然后将线弹性分析得到的评定线上的应力强度值（当计算结果超过屈服点时为名义应力或虚拟应力）分解为薄膜应力、薄膜+弯曲应力，再求取应力强度（最大主应力和最小主应力的代数差值），按照不同的原则进行评定。
ANSYS软件提供了多种显示结果的方式，如等值线图、轨迹线图、列表显示等，图形显示结果是一种非常直观、有效的结果显示方式，并且可以根据不同的分析目的显示不同的分析结果，应力强度值在ANSYS 分析中选择SINT应力与之对应。我公司部分产品的应力分析结果如图6 所示。
图6 阀门零件的应力分析云图
图7 应力评定线的选取
从应力云图可知，在阀体入口管与阀体中腔交界处存在最大应力。在此处选取三条应力评定线进行应力评定，如图7 所示。对应力评定线上的应力强度进行线性化处理，提取薄膜应力、薄膜+弯曲应力等参数。
5 结果分析
应力分析结果如表1所示。式中Sm为设计应力强度，设计应力强度值由ASME D篇表2A查得，其中WC9材料的设计应力强度值为156MPa。
表1 各类应力强度的限制
在该处出现最大应力的原因是由于阀门入口管在该处与中腔相接,且形状变化剧烈，同时内壁存在着尖角的原因所形成。根据应力分类原则判断，此处应属于峰值应力范畴。
根据以上分析可知，阀门在正常运行条件的应力小于对应的极限许用应力值，阀体的结构强度安全，满足设计要求。同时必须保证，原材料的入厂检验、加工制造、检验等方法必须按照JB4732-95 的标准执行。
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