為了分析超高壓脈沖閥填料函臺(tái)階失效引起外漏的原因,進(jìn)行了組合載荷下的動(dòng)態(tài)強(qiáng)度應(yīng)力及位移計(jì)算分析,包括內(nèi)壓溫度耦合作用、腔內(nèi)脈沖壓差分析和疲勞分析等。結(jié)果表明:閥體外壁保溫良好時(shí),內(nèi)壓是影響應(yīng)力的主要因素,溫度或溫差對(duì)等效應(yīng)力的影響是第二位的。分別按應(yīng)力分類法和等效應(yīng)力法判斷表明,在設(shè)計(jì)和運(yùn)行工況下閥體強(qiáng)度是足夠的,原來失效處不會(huì)繼續(xù)擴(kuò)大,閥體不會(huì)疲勞失效而能安全持久。提出有利于預(yù)防臺(tái)階的磨損失效的建議。

1、前言

　　某化工裝置的超高壓脈沖閥承受周期性載荷,隨著脈沖的開關(guān),閥的入口壓力實(shí)現(xiàn)降壓和升壓。壓降大約在40MPa左右。一般脈沖周期設(shè)定為28 s,脈沖深度設(shè)定為1.5～2.0 s。在循環(huán)運(yùn)行過程中,閥的出口伴隨著一個(gè)“反焦耳- 湯姆遜”現(xiàn)象,閥的出口溫度會(huì)上升到290℃左右。閥體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖見圖1,外形是一件長(zhǎng)方體,閥桿口(A腔)最大內(nèi)徑<44. 7,所在端面328mm ×320mm;物料出口(B 腔) 最大內(nèi)徑<41. 3, 所在端面370mm ×320mm;物料進(jìn)口(C腔)最大內(nèi)徑<82,所在端面328mm ×320mm, 8個(gè)安裝螺柱孔中心圓與出口同中心。基本技術(shù)參數(shù)如下:設(shè)計(jì)壓力290MPa,設(shè)計(jì)溫度343℃,密封實(shí)驗(yàn)壓力290MPa,閥體實(shí)驗(yàn)壓力345MPa,正常工作壓力228MPa,工作溫度246℃。

圖1　閥體結(jié)構(gòu)

　　針對(duì)該閥A腔底部截面為6. 35mm ×10mm的填料函臺(tái)階磨損失效引起外漏的現(xiàn)象,文獻(xiàn)^[1]進(jìn)行了靜載荷作用下的應(yīng)力校核和解剖檢測(cè),斷定在運(yùn)行工況下閥體強(qiáng)度是足夠的。雖然該閥有一定的成功使用經(jīng)驗(yàn),但鑒于材料的屈強(qiáng)比高達(dá)0. 93,還承受高周脈沖循環(huán)載荷作用,超高壓容器靜內(nèi)壓作用下的失效是首要失效方式,而疲勞裂紋擴(kuò)展穿透器壁也是其主要失效模式之一,為了確定原失效處是否會(huì)繼續(xù)擴(kuò)大以及閥體長(zhǎng)期運(yùn)行的安全性,擬進(jìn)行動(dòng)態(tài)載荷作用下的應(yīng)力強(qiáng)度校核分析,包括內(nèi)壓和溫度耦合作用下的閥體有限元應(yīng)力分析、一個(gè)脈沖周期內(nèi)各腔之間壓差工況模擬的閥體有限元應(yīng)力分析,以及分別按當(dāng)量應(yīng)力強(qiáng)度幅、當(dāng)量交變應(yīng)力計(jì)算的疲勞強(qiáng)度校核分析。

5、結(jié)論

　　(1) 閥體外壁保溫良好時(shí),最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在閥體內(nèi)腔出口管與進(jìn)口管中間交叉貫通的拐角處,內(nèi)壓是影響等效應(yīng)力的主要載荷,最大等效應(yīng)力與溫度的關(guān)系曲線是平緩微升的曲線。如果閥體保溫不良,隨著進(jìn)料介質(zhì)的溫度升高,閥腔內(nèi)的熱應(yīng)力增加很大,因此閥體保溫及開車前的預(yù)熱操作很重要。

　　(2) 閥腔脈沖壓力變化的有限元分析結(jié)果表明,閥體具有較大的強(qiáng)度富裕。各模型各工況下最大位移變化不大,經(jīng)循環(huán)加載并卸載后閥體材料未發(fā)生塑性變形。但動(dòng)態(tài)運(yùn)行中進(jìn)出口兩腔壓力差引起閥體位移,這會(huì)使填料函臺(tái)階與閥桿產(chǎn)生磨損從而發(fā)生介質(zhì)泄漏,如果閥體的安裝固定原點(diǎn)由閥體的出口面改為進(jìn)口面或閥桿口面,使閥體的壓差位移與閥桿的滑動(dòng)方向盡量一致,對(duì)預(yù)防臺(tái)階的磨損失效是有利的。

　　(3) 按當(dāng)量應(yīng)力強(qiáng)度幅或當(dāng)量交變應(yīng)力值計(jì)算的疲勞分析結(jié)果表明,閥體不會(huì)疲勞失效而能安全持久,原來失效處不會(huì)繼續(xù)擴(kuò)大。

參考文獻(xiàn)

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