閥門(mén)熱應(yīng)力分析與研究

概述

　　閥門(mén)或壓力容器的熱應(yīng)力分析屬于熱結(jié)構(gòu)的耦合分析。自然界中電場(chǎng)、磁場(chǎng)、流場(chǎng)、結(jié)構(gòu)場(chǎng)與溫度場(chǎng)之間的關(guān)系是相互聯(lián)系的，現(xiàn)實(shí)工程問(wèn)題往往不是單一場(chǎng)問(wèn)題，多數(shù)涉及多場(chǎng)耦合問(wèn)題。由于受到計(jì)算方法的限制，在工程計(jì)算中，往往使用經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式進(jìn)行單場(chǎng)疊加計(jì)算求解耦合場(chǎng)計(jì)算問(wèn)題。例如，壓力容器計(jì)算往往先進(jìn)行獨(dú)立的壓力場(chǎng)分析，計(jì)算應(yīng)力值與對(duì)應(yīng)溫度下的許用應(yīng)力值做比較考慮熱對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。這種單場(chǎng)疊加計(jì)算耦合場(chǎng)的方法有時(shí)是可以接受的，但有些問(wèn)題的計(jì)算精度不能達(dá)到要求，甚至得到錯(cuò)誤的結(jié)果。計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展使多場(chǎng)耦合分析成為可能。本文應(yīng)用有限元分析軟件，對(duì)閥門(mén)的壓應(yīng)力與熱應(yīng)力的耦合問(wèn)題進(jìn)行分析探討。

壓應(yīng)力與熱應(yīng)力的關(guān)系

　　以一個(gè)直管道為例，應(yīng)用ANSYS Workbench 軟件計(jì)算壓應(yīng)力與熱應(yīng)力耦合應(yīng)力。選取管道內(nèi)徑φ100mm，壁厚12mm，管道長(zhǎng)度300mm。在管道內(nèi)表面施加恒定溫度載荷300℃，管道外壁施加對(duì)流換熱系數(shù)，管道內(nèi)表面施加壓力載荷10MPa，管道左端面施加固定約束。在管道中截面處選取垂直穿過(guò)管道壁厚的應(yīng)力評(píng)定線，用于考核當(dāng)管道壁厚發(fā)生變化時(shí)，壓應(yīng)力與熱應(yīng)力耦合后的復(fù)合應(yīng)力的變化情況( 圖1) 。

圖1 管道復(fù)合應(yīng)力變化情況

　　根據(jù)計(jì)算結(jié)果( 圖2) 分析，當(dāng)管道壁厚在12 ～13. 5mm 時(shí)，隨著管道壁厚的增加，壓應(yīng)力逐漸減小，復(fù)合應(yīng)力逐漸減小。當(dāng)管道壁厚在14 ～ 16mm時(shí)，隨著管道壁厚的增加，熱應(yīng)力逐漸增加，復(fù)合應(yīng)力逐漸增加。由此可以看出壓力容器設(shè)計(jì)時(shí)，當(dāng)考慮熱應(yīng)力影響的時(shí)候，并不是容器壁厚越厚越安全，壁厚的增加會(huì)引起熱應(yīng)力的迅速增加。根據(jù)軟件優(yōu)化設(shè)計(jì)的結(jié)論顯示，當(dāng)管道壁厚為13. 83mm 時(shí)，壓應(yīng)力與熱應(yīng)力耦合后的復(fù)合應(yīng)力最小。因此，在管道設(shè)計(jì)時(shí)，可以選擇最合理壁厚為13. 83mm。

圖2 管道壁厚與復(fù)合應(yīng)力的變化關(guān)系

　　(1) 通過(guò)對(duì)各工況下的閥體左端面施加固定約束或者無(wú)摩擦滑動(dòng)約束的分析數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，應(yīng)力值相差較小，可以認(rèn)為沒(méi)有影響。但在計(jì)算熱應(yīng)力時(shí)，如果閥體左端面固定約束，則閥體熱膨脹的需求受到抑制，將在閥體左端面產(chǎn)生巨大的應(yīng)力奇異，有時(shí)應(yīng)力值高達(dá)上千兆帕。為了避免此種應(yīng)力對(duì)分析結(jié)果的誤導(dǎo)，通常在閥體左側(cè)端面加一段直管道( 管道長(zhǎng)度為管徑的5 倍) ，在管道的左側(cè)施加固定約束，使應(yīng)力奇異發(fā)生在管道上( 圖3) ，以便于閥體的分析。

圖3 閥體左側(cè)施加管道模型

　　(2) 由分析結(jié)論可知，在只有內(nèi)表面溫度載荷的情況下，應(yīng)力數(shù)值較小。因?yàn)�，沒(méi)有溫差就沒(méi)有熱量的傳遞。因此，只施加內(nèi)表面溫度載荷將產(chǎn)生錯(cuò)誤的分析結(jié)果。

　　(3) 通過(guò)對(duì)閥體內(nèi)表面溫度載荷300℃，外表面對(duì)流換熱系數(shù)6.7W/(m2·℃) 及閥體內(nèi)表面溫度載荷300℃，外表面溫度298. 5℃兩種工況的應(yīng)力值對(duì)比分析，應(yīng)力評(píng)定線上的應(yīng)力強(qiáng)度值在同一數(shù)量級(jí)，而且數(shù)值相差較小，可以認(rèn)為，這兩種載荷的施加都是正確的。在做分析計(jì)算時(shí)，可以二者選一。但是，對(duì)流換熱系數(shù)較難獲得，需要對(duì)閥門(mén)所在的不同系統(tǒng)以及周?chē)�的環(huán)境溫度進(jìn)行單獨(dú)的測(cè)
量。而外表面溫度也不容易得到( 電站閥門(mén)現(xiàn)場(chǎng)外表面做保溫處理，以降低熱應(yīng)力的影響) 。因此，應(yīng)該根據(jù)具體的閥門(mén)使用情況來(lái)選用不同的載荷。

　　(4) 如果外表面絕熱，將沒(méi)有溫差，沒(méi)有溫差就沒(méi)有熱應(yīng)力。閥門(mén)現(xiàn)場(chǎng)都是將閥門(mén)外表面做保溫處理( 理想的認(rèn)為閥門(mén)處于絕熱狀態(tài)) ，來(lái)減小熱應(yīng)力對(duì)閥門(mén)的損壞。因此，此處的熱應(yīng)力數(shù)值幾乎可以忽略不計(jì)。

結(jié)語(yǔ)

　　壓力容器設(shè)計(jì)時(shí)，當(dāng)容器內(nèi)外壁溫差較大，引起熱應(yīng)力時(shí)，應(yīng)該進(jìn)行壓應(yīng)力與熱應(yīng)力的耦合計(jì)算，壁厚也可通過(guò)優(yōu)化分析選取最佳值。熱應(yīng)力分析時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際問(wèn)題設(shè)定邊界條件，防止影響計(jì)算結(jié)果。