超(超)临界电动高加三通阀阀体强度应力分析(1)

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)南通市电站阀门有限公司 作者:张建华

  运用ANSYS 软件对J969Y-2500 电动高加三通阀的阀体结构进行了应力分析,得到了其综合应力分布规律,对综合应力分析结果进行了应力强度评定,为高加三通阀的结构设计和改进提供了科学的理论依据,分析和评定结果表明: 阀体的应力强度满足美国ASME Ⅷ-2 标准和我国JB 4732-95 对强度的要求。

1、概述

  高加电动三通阀作为超( 超) 临界火电机组的关键配套产品,是保证机组安全、经济运行的重要设备之一。高加电动三通阀的作用在于切断高压加热器进水,启动给水自动旁路,让给水旁路直接送往锅炉,保护高压加热器。在超( 超) 临界条件下,高加电动三通阀的强度和刚度尤其重要,常规的经验公式进行阀体壁厚计算只能满足强度的要求,但无法了解阀门的应力分布和变形情况,且在这种情况下,热应力值较大,不能忽略,若采用理论公式计算热应力,计算过程复杂,误差较大,因此需要采用更有效的设计方法。本文采用ANSYS软件对J969Y-2500 电动高加三通阀进行应力分析,对于促进“超( 超) 临界火电机组关键阀门国产化”具有十分重要的意义。

2、阀门的设计参数

  J969Y-2500 电动高加三通阀结构如图1 所示。

 J969Y-2500 电动高加三通阀模型

图1 J969Y-2500 电动高加三通阀模型

  阀门的技术条件: 公称压力: 42MPa; 设计压力: 35.9MPa; 设计温度: 300 ℃; 最大开启/关闭压差: 3MPa; 口径: 18" ; 接管规格和材料: 559 × 60 /15NiCuMoNb5 - 6 - 4; 阀体材料WB36 /15NiCuMoNb5 - 6 - 4; 执行机构: 电动装置; 电动启闭时间≤50s; 结构形式: 三通; 连接形式: 对接焊。

3、阀体结构的有限元分析

3.1、提出问题

  电动高加三通阀在使用的过程中,由于介质压力很高,阀芯在小开度时出现噪声和振动,使阀芯阀杆抖动,存在泄漏隐患以及旁路阀座检修困难等主要问题。本次分析的设想是确定阀体机构强度的薄弱点,验证强度是否满足设计要求,提出产品结构合理设计方案。

3.2、实体造型

  采用三维绘图软件SolidWorks 建模,由于该阀体的结构规则且阀体的载荷等具有对称性,取主阀阀体的1 /2 进行有限元分析。造型过程中将圆角、倒角等对产品性能没有多大影响的特征忽略。

3.3、模型分析

  将SolidWorks 软件中的模型导入到ANSYS中( 图2) 。比较导入前后的模型,确保模型信息的完整。

ANSYS 中阀体对称模型

图2 ANSYS 中阀体对称模型

3.4、材料属性与网格划分

  阀体材料为WB36,弹性模量为1.92 ×105MPa( 300℃) ,屈服强度为450MPa,抗拉强度为610MPa,许用应力为183MPa( 300℃) 。

  对阀体网格划分的过程中,充分利用自适应网格划分技术在模型尺寸发生突变处自动将网格细化的功能,使整个模型自动分配网格,划分后的模型有408944 个节点,283315 个单元。网格模型如图3 所示。

阀体模型的网格划分

图3 阀体模型的网格划分

3.5、载荷与约束施加

  对阀体进行稳态应力有限元分析能够反映阀体的强度承载情况。阀体处于稳定工况时,取内部极限温度300℃,环境参考温度27℃,对流换热系数取5 W/( m2·K) 。

  对阀体承受的载荷和约束做如下设定:

  (1) 对阀体入口端施加约束;

  (2) 对阀体下出口端施加约束;

  (3) 对阀门沿中心线的剖面位置施加对称约束,并将对称面上的方向位移设置为0;

  (4) 阀体内表面施加介质压35.9MPa,外表面为自由面。

3.6、求解

  有限元法的原理是将连续的组合体离散为单元的组合体,用每个单元内假设的近似函数分片的表示求解域内待求的未知场变量,近似函数用未知场函数在单元各节点的数值和与其对应的插值函数来表达。从而使一个无穷多自由度问题变成有限自由度问题。类似本例小变形线性结构分析的过程,直接使用默认求解命令进行求解就能达到要求。

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