閥門(mén)熱應力分析與研究
概述
閥門(mén)或壓力容器的熱應力分析屬于熱結構的耦合分析。自然界中電場(chǎng)、磁場(chǎng)、流場(chǎng)、結構場(chǎng)與溫度場(chǎng)之間的關(guān)系是相互聯(lián)系的，現實(shí)工程問(wèn)題往往不是單一場(chǎng)問(wèn)題，多數涉及多場(chǎng)耦合問(wèn)題。由于受到計算方法的限制，在工程計算中，往往使用經(jīng)驗計算公式進(jìn)行單場(chǎng)疊加計算求解耦合場(chǎng)計算問(wèn)題。例如，壓力容器計算往往先進(jìn)行獨立的壓力場(chǎng)分析，計算應力值與對應溫度下的許用應力值做比較考慮熱對結構的影響。這種單場(chǎng)疊加計算耦合場(chǎng)的方法有時(shí)是可以接受的，但有些問(wèn)題的計算精度不能達到要求，甚至得到錯誤的結果。計算機技術(shù)的發(fā)展使多場(chǎng)耦合分析成為可能。本文應用有限元分析軟件，對閥門(mén)的壓應力與熱應力的耦合問(wèn)題進(jìn)行分析探討。
壓應力與熱應力的關(guān)系
以一個(gè)直管道為例，應用ANSYS Workbench 軟件計算壓應力與熱應力耦合應力。選取管道內徑φ100mm，壁厚12mm，管道長(cháng)度300mm。在管道內表面施加恒定溫度載荷300℃，管道外壁施加對流換熱系數，管道內表面施加壓力載荷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)管道壁厚的應力評定線(xiàn)，用于考核當管道壁厚發(fā)生變化時(shí)，壓應力與熱應力耦合后的復合應力的變化情況( 圖1) 。
圖1 管道復合應力變化情況
根據計算結果( 圖2) 分析，當管道壁厚在12 ～13. 5mm 時(shí)，隨著(zhù)管道壁厚的增加，壓應力逐漸減小，復合應力逐漸減小。當管道壁厚在14 ～ 16mm時(shí)，隨著(zhù)管道壁厚的增加，熱應力逐漸增加，復合應力逐漸增加。由此可以看出壓力容器設計時(shí)，當考慮熱應力影響的時(shí)候，并不是容器壁厚越厚越安全，壁厚的增加會(huì )引起熱應力的迅速增加。根據軟件優(yōu)化設計的結論顯示，當管道壁厚為13. 83mm 時(shí)，壓應力與熱應力耦合后的復合應力最小。因此，在管道設計時(shí)，可以選擇最合理壁厚為13. 83mm。
圖2 管道壁厚與復合應力的變化關(guān)系
(1) 通過(guò)對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)約束的分析數據進(jìn)行對比，應力值相差較小，可以認為沒(méi)有影響。但在計算熱應力時(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)生巨大的應力奇異，有時(shí)應力值高達上千兆帕。為了避免此種應力對分析結果的誤導，通常在閥體左側端面加一段直管道( 管道長(cháng)度為管徑的5 倍) ，在管道的左側施加固定約束，使應力奇異發(fā)生在管道上( 圖3) ，以便于閥體的分析。
圖3 閥體左側施加管道模型
(2) 由分析結論可知，在只有內表面溫度載荷的情況下，應力數值較小。因為，沒(méi)有溫差就沒(méi)有熱量的傳遞。因此，只施加內表面溫度載荷將產(chǎn)生錯誤的分析結果。
(3) 通過(guò)對閥體內表面溫度載荷300℃，外表面對流換熱系數6.7W/(m2·℃) 及閥體內表面溫度載荷300℃，外表面溫度298. 5℃兩種工況的應力值對比分析，應力評定線(xiàn)上的應力強度值在同一數量級，而且數值相差較小，可以認為，這兩種載荷的施加都是正確的。在做分析計算時(shí)，可以二者選一。但是，對流換熱系數較難獲得，需要對閥門(mén)所在的不同系統以及周?chē)沫h(huán)境溫度進(jìn)行單獨的測
量。而外表面溫度也不容易得到( 電站閥門(mén)現場(chǎng)外表面做保溫處理，以降低熱應力的影響) 。因此，應該根據具體的閥門(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)有熱應力。閥門(mén)現場(chǎng)都是將閥門(mén)外表面做保溫處理( 理想的認為閥門(mén)處于絕熱狀態(tài)) ，來(lái)減小熱應力對閥門(mén)的損壞。因此，此處的熱應力數值幾乎可以忽略不計。
結語(yǔ)
壓力容器設計時(shí)，當容器內外壁溫差較大，引起熱應力時(shí)，應該進(jìn)行壓應力與熱應力的耦合計算，壁厚也可通過(guò)優(yōu)化分析選取最佳值。熱應力分析時(shí)，應根據實(shí)際問(wèn)題設定邊界條件，防止影響計算結果。
