超高压脉冲阀体动态强度校核分析

　　为了分析超高压脉冲阀填料函台阶失效引起外漏的原因,进行了组合载荷下的动态强度应力及位移计算分析,包括内压温度耦合作用、腔内脉冲压差分析和疲劳分析等。结果表明:阀体外壁保温良好时,内压是影响应力的主要因素,温度或温差对等效应力的影响是第二位的。分别按应力分类法和等效应力法判断表明,在设计和运行工况下阀体强度是足够的,原来失效处不会继续扩大,阀体不会疲劳失效而能安全持久。提出有利于预防台阶的磨损失效的建议。

1、前言

　　某化工装置的超高压脉冲阀承受周期性载荷,随着脉冲的开关,阀的入口压力实现降压和升压。压降大约在40MPa左右。一般脉冲周期设定为28 s,脉冲深度设定为1.5～2.0 s。在循环运行过程中,阀的出口伴随着一个“反焦耳- 汤姆逊”现象,阀的出口温度会上升到290℃左右。阀体结构简图见图1,外形是一件长方体,阀杆口(A腔)最大内径<44. 7,所在端面328mm ×320mm;物料出口(B 腔) 最大内径<41. 3, 所在端面370mm ×320mm;物料进口(C腔)最大内径<82,所在端面328mm ×320mm, 8个安装螺柱孔中心圆与出口同中心。基本技术参数如下:设计压力290MPa,设计温度343℃,密封实验压力290MPa,阀体实验压力345MPa,正常工作压力228MPa,工作温度246℃。

图1　阀体结构

　　针对该阀A腔底部截面为6. 35mm ×10mm的填料函台阶磨损失效引起外漏的现象,文献^[1]进行了静载荷作用下的应力校核和解剖检测,断定在运行工况下阀体强度是足够的。虽然该阀有一定的成功使用经验,但鉴于材料的屈强比高达0. 93,还承受高周脉冲循环载荷作用,超高压容器静内压作用下的失效是首要失效方式,而疲劳裂纹扩展穿透器壁也是其主要失效模式之一,为了确定原失效处是否会继续扩大以及阀体长期运行的安全性,拟进行动态载荷作用下的应力强度校核分析,包括内压和温度耦合作用下的阀体有限元应力分析、一个脉冲周期内各腔之间压差工况模拟的阀体有限元应力分析,以及分别按当量应力强度幅、当量交变应力计算的疲劳强度校核分析。

5、结论

　　(1) 阀体外壁保温良好时,最大等效应力出现在阀体内腔出口管与进口管中间交叉贯通的拐角处,内压是影响等效应力的主要载荷,最大等效应力与温度的关系曲线是平缓微升的曲线。如果阀体保温不良,随着进料介质的温度升高,阀腔内的热应力增加很大,因此阀体保温及开车前的预热操作很重要。

　　(2) 阀腔脉冲压力变化的有限元分析结果表明,阀体具有较大的强度富裕。各模型各工况下最大位移变化不大,经循环加载并卸载后阀体材料未发生塑性变形。但动态运行中进出口两腔压力差引起阀体位移,这会使填料函台阶与阀杆产生磨损从而发生介质泄漏,如果阀体的安装固定原点由阀体的出口面改为进口面或阀杆口面,使阀体的压差位移与阀杆的滑动方向尽量一致,对预防台阶的磨损失效是有利的。

　　(3) 按当量应力强度幅或当量交变应力值计算的疲劳分析结果表明,阀体不会疲劳失效而能安全持久,原来失效处不会继续扩大。

参考文献

　　[1] 　陈孙艺. 超高压脉冲阀体静态强度校核分析[J]. 石油化工设备技术, 2009, 30 (1) : 21223.
　　[2] 　TSG R000222005. 超高压容器安全技术监察规程[S].
　　[3] 　邵国华,魏兆灿. 化工设备设计全书超高压容器[M]. 化学工业出版社.