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    科學技術論文

    閥門強度分析和抗震檢驗方法的探討

    時間:2021年06月10日 所屬分類:科學技術論文 點擊次數:

    摘要:在我國高速發展下,帶動了我國各個領域的進步。目前,在國內外閥門現狀的基礎上分析了國內閥門存在的問題。簡述了計算機輔助設計CAD參數化技術和CAE技術對閥門設計的促進作用。以核電閥門為例,根據其應力、強度、抗震、環境等特殊要求,從不同工況、

      摘要:在我國高速發展下,帶動了我國各個領域的進步。目前,在國內外閥門現狀的基礎上分析了國內閥門存在的問題。簡述了計算機輔助設計CAD參數化技術和CAE技術對閥門設計的促進作用。以核電閥門為例,根據其應力、強度、抗震、環境等特殊要求,從不同工況、最小壁厚、應力判定方法等角度對核電閥門的受力分析和靜態抗震方法進行了對比、歸納和展望。

      關鍵詞:閥門;強度分析;抗震分析;受力分析;CAD;CAE

    原子能科學技術

      引言

      隨著我國在化工、低溫工程和液化氣體產業的快速發展,在低溫環境下使用閥門的情形越來越多,低溫閥門(<-100°)需求量越來越大,這就要求對低溫閥門的安全性與可靠性進行更深入的研究。本文針對低溫閥門特殊工作環境與使用要求,對閥門的可靠性進行分析和探討。對比以前學者的研究方法,提出自己的分析過程,運用現代數學、傳熱學、力學及可靠性設計的理論等相關方法進行佐證,為低溫閥門安全可靠運行提供了理論支撐和技術保障。

      1概述

      作為廣泛應用于電力、石油、化工、環保等行業的機械零件,近年來閥門逐漸向大型化、自動化、高性能化、高參數化發展。隨著閥門的使用工況越來越復雜,其密封性能作為重要技術性能指標,也受到廣泛關注。閥門的種類多,結構多樣,為達到截斷介質流動,不發生泄漏的目的,閥門需要在各種復雜工況下都能保證長時間、高質量的密封。閥門密封失效的原因有很多,如閥體與閥蓋間的配合緊密程度不足、閥門結構設計的不合理、閥門密封面存在缺陷、緊固件發生松動、密封填料在高溫情況下失效等等。

      這些問題都可能導致閥門出現密封效果問題,從而引起介質的泄漏,隨著工業技術的發展,閥門對密封性能的要求也越來越高,不僅要求閥門具有高耐磨性、較強的抗腐蝕性能,還要求閥門在高溫、高壓及低溫等復雜工況下仍可長時間的保證高密封性。本文在基于對閥門密封面性能要求進行總結的基礎上,從閥門的材料性能、結構設計、密封性能評價等3個方面的研究現狀進行分析,并對閥門密封技術的發展趨勢進行了預測,希望能為閥門的設計研發工作提供一定的借鑒和參考。

      2閥門受力分析和抗震檢驗方法

      2.1核電閥門受力分析

      目前,國內核級閥門的設計主要依據于美國的ASME、法國的RCC-M等法規。標準中規定了核一級閥門、核二、三級閥門的合格要求與判定準則。分別考慮了很多載荷條件,如內壓、自重、管道反作用力、地震載荷、溫度效應等條件,并依據以上載荷的不同組合分為設計基準工況、運行工況、緊急工況、事故工況、水壓試驗等5種工況,如表4所示。核電閥門工況復雜,每種工況需要輸入的載荷不盡相同,且合格標準也要做出相應的調整,這就要求每種工況需要分別計算閥門承壓部件的薄膜應力、彎曲應力、一次應力、二次應力、峰值應力、熱應力、總應力是否滿足所使用材料的設計應力強度值,難度較大。

      對應的環境載荷及判別依據序號工況載荷合格標準對應級別1設計和正常工況設計壓力、設計溫度、機械載荷防止:過度變形、塑性失穩、彈性和彈塑性失穩ASMEA級RCC-MO級2異常工況瞬態的壓力、熱載荷、接管載荷等防止:漸進性變形和疲勞ASMEB級RCC-MB級3危(緊)急工況瞬態的壓力、熱載荷、接管載荷等防止:過度變形、塑性失穩、彈性和彈塑性失穩,但安全裕量小ASMEC級RCC-MC級4事故工況瞬態的壓力、熱載荷、接管載荷(包括LO-CA)、SSE防止:彈性和彈塑性失穩(相當于壓力邊界完整性喪失),但不排除過度變形。

      ASMED級RCC-MD級5試驗工況試驗壓力防止:過度變形、塑性失穩、彈性和彈塑性失穩ASME試驗RCC-M試驗除了工況復雜外,目前核級閥門強度計算方法也有不同,主要方法為美國的ASME規范計算機輔助計算有限元分析法(CAE)、和法國的RCC-M規范。ASME規范和RCC-M規范在針對不同的核安全等級上對應的計算公式略有差異。

      目前,國內還沒有制定出完整的適用于核電閥門工程實際情況的規范,本節將通過對幾種方法的比較,找出其特點與不同。ASME與RCC-M規范中關于核一級閥門強度計算方法這一部分,從整體計算思路來講大致相同,但也有不同。如在大閥門和小閥門的界定準則不一樣,ASME中是以公稱直徑尺寸作為判定標準,RCC-M規范中則是以閥門的內徑尺寸作為判定標準。這也就意味著在閥門強度計算的過程中,部分計算數據以及判定條件是存在差異的。類似的規定還有很多,可以圍繞最小壁厚的確定和應力評定等部分來進行2個規范中核一級閥門強度計算方法的比較分析。

      2.2閥門的密封性能

      閥門密封性能的研究設計密封結構的原理、密封結構與泄漏情況的關系、密封性能的評價方法等。近些年,很多學者從密封性能原理的角度,對閥門密封性能進行了大量的研究。以充氣閥作為研究對象,通過對墊片密封及閥座密封比壓原理進行分析的基礎上,運用有限元模擬的方法建立了閥門的泄漏量計算模型,并進行了閥門泄漏量的計算,實現了閥門泄漏率的定量分析。

      研究了低溫閥門的啟閉密封的特性,在不同工況下研究泄漏量和密封比壓的關系,并與理論進行對比,得到了相同工況下的密封比壓計算的修正系數。從閥門密封性的原理出發,分析了影響閥門密封性能的各種因素,針對影響因素,提出了相應的改善措施。根據對閥門密封性能的要求,需要根據泄漏的不同部位和程度,采取不同的防漏措施。對雙層輝光離子滲鎢滲碳閥門的滲層組織分析結果表明,硬化工藝形成的硬質密封面抗擦傷性能好,靜壓壽命長,這一特性同密封面所在滲層的組織有關。滲層組織為多相組織,這種組織結構大大提高了密封面的抗擦傷性能和靜壓壽命。

      2.3閥門可靠性研究的發展方向

      針對國內外低溫閥門及其可靠性評估方法的研究與發展現狀,未來閥門有如下發展展望。1)低溫閥門發展現狀及運行安全與可靠性方面的調研工作,制定低溫閥門建模仿真分析、性能試驗測試與可靠性評價方案。2)常用低溫閥門三維實體與有限元仿真模型建立,完成低溫閥門靜動態特性分析,獲得閥門在低溫工況下應力應變與動態特性;采用熱結構耦合分析的方法,分析閥門在熱應力及結構應力共同作用下的應力與變形規律,為低溫閥門結構優化設計提供依據。3)低溫閥門及其密封材料性能測試,采用低溫閥門實驗測試系統對閥門及密封件在低溫服役環境下的性能進行試驗測試。

      能源論文投稿刊物:原子能科學技術月刊,由中國原子能科學研究院主辦,1959年創刊,國內外公開發行,全國性學術與技術兼顧的原子能類核心期刊。主要收登核科學技術方面具有創造性的科技成果,旨在促進核科學與技術方面的交流、核技術與其他科學技術間的交叉滲透,推動核科技在國民經濟方面的應用。欄目設置為“物理”、“化學”、“反應堆工程”、“技術及應用”。

      結語

      進一步加快計算機輔助設計CAD參數化技術和CAE技術對閥門設計的應用和理解,加快完善參數化系統以及參數化裝配技術,提高閥門設計能力。(2)核級閥門強度計算方法可以按照與RCC-M規范和ASME規范中大體的框架來進行,具體細節、具體問題等需要依據其工程經驗及實際需求進行處理,同時,所用材料、焊接鍛造工藝、誤差控制范圍、腐蝕裕量等是有區別的,這些需要通過大量的試驗、調研來完成。(3)對于閥門抗震分析,應該考慮到計算模型的近似性和試驗上的誤差,應同時用試驗測量法和計算法進行計算,對結果進行對比分析,找到相同點與誤差點,為更好的設計方案提供思路。

      參考文獻:

      [1]魏宏璞,石世宏.核電閥門密封面無鈷鐵基合金粉末激光熔覆[J].蘇州大學學報(工科版),2010,30(4):1-4.

      [2]武鑫,趙高暉,王國欽,等.氣動截止閥密封材料探討[J].機械設計與研究,2013,29(6):83-85.

      [3]方慶賢.關于核級設備的靜動態抗震試驗的思考[J].原子能科學技術,2008,42(S2):609-611.

      [4]李仕帥.核級閥門強度計算方法的比較分析[D].哈爾濱工程大學,2016.

      作者:于英玖

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