火力发电系统的多数设备长期处于高温高压的苛刻工况,阀门作为电站系统的辅助设备之一,在工作过程中不仅要承受很高的压力与温度,而且还会受到高速流动介质冲刷与腐蚀,因此电站阀门的性能要求非常高。本文针对中国环球阀门有限公司生产的高温高压球阀,对其建立了有限元模型,由温压等级表换算得到所设计的球阀在实际工况下对应的温度与压力,基于傅里叶导热微分方程对实际工况下的传热过程进行了计算,对高温高压球阀在备用工况和操作工况下的温度场进行了求解;借助于有限元分析软件对球阀装配体在介质压力作用下所产生的等效应力与其在热力耦合场作用下的等效应力做了具体的分析,并对阀芯在不同开度下的磨损情况做了分析,得到的结论对电站球阀的设计有一定的指导意义。(1)对球阀做了具体的受力分析,计算阀门密封面上的作用力与阀门的密封比压,并对主要承载部件的强度进行校核。(2)对球阀在备用工况和操作工况下的温度场求解,将所得到的温度场作为载荷施加到球阀结构上,对其进行热力耦合分析,得到球阀在热力耦合作用下的等效应力;对球阀在只受介质压力作用下进行静态结构分析,将所得到的应力场与热力耦合作用下的应力场进行比较,得出热应力与压应力之间有一定的抵消作用;迭代求解温度与最大等效应力的四阶样条插值函数,得到了温度场与应力场相互影响的临界条件。(3)在热力耦合场的作用下尽管等效应力有所减小,但应变反而比以前大了,为了保证阀门有好的密封性,对应变最大的球体结构尺寸进行目标驱动优化设计,优化后的结构在耦合场作用下的应变量变小了很多,改善了阀门的密封性能。(4)球体外镀层不仅可以提高球体硬度、改善表面粗糙度的作用,本文对镀层与球体分别建模,进行装配分析,得到镀层的厚度对其结构强度的影响关系曲线,找出了在实际工况下求体外镀层的最佳厚度。(5)球阀在操作的过程中,阀芯开度的不同会影响介质的流速进而影响到壁面的磨损速率,通过对阀芯不同开度下壁面磨损速率及内部介质流速的模拟计算,得出随着阀芯开度的不断增大,壁面磨损速率和介质流速相继减小,壁面磨损区域位置也会发生变化,磨损面形状由开始的带状变为最后的点状和块状。