菜 单关 闭
特种控制阀高温蠕变强度分析-德国莱克LIK品牌
发布时间:2023-3-15

1  概述

高性能特种控制阀作为流程工业的关键核心装备目前全部依赖进口,其价格昂贵,服务不及时,严重影响装置的长周期运行,成为“卡脖子”产品。国内企业和科研院所虽有研究和产品应用,但是缺乏系统性的基础理论研究和专门的核心技术攻关,在性能指标、使用寿命、可靠性上与进口产品有一定差距[1,2]。
高温特种阀门作为厚壁部件,其所承受的运行参数很高,工况差异大,长期工作在高温环境下的高温蠕变强度,成为特种阀门高温强度设计的巨大挑战之一[3-6]。一些文献报道了高温阀门失效断裂的事件,这些高温阀门主要用于重要的蒸汽循环系统中,直接影响机组运行的安全性、经济性、可靠性。利用宏观检查、化学成分分析、断口形貌分析、金相分析、硬度测试等检测手段,发现高温环境下,蠕变加速了阀门失效断裂行为,阀门结构不合理也容易导致应力集中,造成阀门失效[7-10]。
本研究基于ABAQUS仿真软件提供的分析模块,对阀体结构在高温条件下的热力分布及蠕变行为进行考核,在此基础之上,根据软件提供的二次开发接口,计算了“低进高出”和“高进低出”两种安装方式下阀体结构的应力多轴度,并利用损伤评估方法对阀体蠕变损伤进行评估。
2  数值模型
2.1  几何模型
利用SOLIDWORKS建模软件对模型进行精简,并根据对称性将模型取半。为便于有限元网格划分及计算,将原阀体接管与阀体的焊接连接处取圆柱公共交线作平滑过渡处理,并将阀座上连接的阀笼部分简化,去掉螺栓、阀杆、阀盖、迷宫蝶板等结构,仅保留阀体、阀座及密封垫。原模型及简化后的几何模型如图1所示。





图1  阀门模型简化示意图
2.2  材料参数
简化阀门模型中各部件采用不同的材料,各部件结构及材料参数分别如图2和表1所示


2.3  网格划分
将简化后的阀门模型导入ABAQUS中划分有限元网格,采用温度位移耦合计算类型,网格类型为一次积分四节点热位移耦合四面体网格。密封垫结构简单,故采用结构化网格,阀座与阀体采用非结构化网格。由于阀座、密封垫与阀体的接触面在初步试算过程中发现为应力集中区域,应设置为重点分析区域。将接触区域的阀体分割为阀座-阀体接触区域、密封垫-阀体接触区域、未接触区域,并将该部分网格进行加密。阀体单元个数为682 648,阀座单元个数为107 050,密封垫单元个数为15 586,总单元数为805 284,如图3所示。






(a)整体网格 (b)阀体网格 (c)阀座网格 (d)密封垫网格
图3  有限元模型网格划分
2.4  边界条件
有限元计算中,需要按照实际装配方式、运行条件,结合相应的理论加载边界条件。在本模型中边界条件分为热边界条件与力位移边界条件,力位移边界约束是指根据实际装配方式,对各部件的预紧力、盲管力以及自由度的约束。
2.4.1  热边界条件
阀门内部各部件在运行过程中,高温流体与各部件的壁面换热类型为第三类边界条件,即给定了沉浸温度和对流换热系数。由于缺少阀门各部件接触壁面换热系数现场数据,换热系数依据不同几何特征来进行计算,可分为入口段1/5、中间段2、阀座接触段3、迷宫蝶板部分4、出口段5/1,如图4所示。



图4  模型换热边界区域划分
采用Dittus-Boelter公式进行换热计算,当量直径通过测量几何模型得到,在通道1、2、3、5处当量直径为通道直径,迷宫蝶板部分4考虑了迷宫蝶板体积的影响,以流通截面面积除以湿周的方式计算了该区域的当量直径。
图片     (2)
式中  h——换热系数
λ——导热系数
u——蒸汽当地流速
v——运动粘度
De——当量直径
阀体外表面采用类似绝热的边界条件,给定环境温度25℃以及较小的对流换热系数,计算得到各部分的换热系数如表6所示。



版权所有:广州莱克阀门有限公司   All Rights Reserved.   网站备案/许可证号:粤ICP备20059516号

扫一扫产品询价