為了分析超高壓脈沖閥填料函臺階失效引起外漏的原因,進行了組合載荷下的動態強度應力及位移計算分析,包括內壓溫度耦合作用、腔內脈沖壓差分析和疲勞分析等。結果表明:閥體外壁保溫良好時,內壓是影響應力的主要因素,溫度或溫差對等效應力的影響是第二位的。分別按應力分類法和等效應力法判斷表明,在設計和運行工況下閥體強度是足夠的,原來失效處不會繼續擴大,閥體不會疲勞失效而能安全持久。提出有利于預防臺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,閥的入口壓力實現降壓和升壓。壓降大約在40MPa左右。一般脈沖周期設定為28 s,脈沖深度設定為1.5～2.0 s。在循環運行過程中,閥的出口伴隨著一個“反焦耳- 湯姆遜”現象,閥的出口溫度會上升到290℃左右。閥體結構簡圖見圖1,外形是一件長方體,閥桿口(A腔)最大內徑<44. 7,所在端面328mm ×320mm;物料出口(B 腔) 最大內徑<41. 3, 所在端面370mm ×320mm;物料進口(C腔)最大內徑<82,所在端面328mm ×320mm, 8個安裝螺柱孔中心圓與出口同中心。基本技術參數如下:設計壓力290MPa,設計溫度343℃,密封實驗壓力290MPa,閥體實驗壓力345MPa,正常工作壓力228MPa,工作溫度246℃。

圖1　閥體結構

　　針對該閥A腔底部截面為6. 35mm ×10mm的填料函臺階磨損失效引起外漏的現象,文獻^[1]進行了靜載荷作用下的應力校核和解剖檢測,斷定在運行工況下閥體強度是足夠的。雖然該閥有一定的成功使用經驗,但鑒于材料的屈強比高達0. 93,還承受高周脈沖循環載荷作用,超高壓容器靜內壓作用下的失效是首要失效方式,而疲勞裂紋擴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繼續擴大以及閥體長期運行的安全性,擬進行動態載荷作用下的應力強度校核分析,包括內壓和溫度耦合作用下的閥體有限元應力分析、一個脈沖周期內各腔之間壓差工況模擬的閥體有限元應力分析,以及分別按當量應力強度幅、當量交變應力計算的疲勞強度校核分析。

5、結論

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

　　(2) 閥腔脈沖壓力變化的有限元分析結果表明,閥體具有較大的強度富裕。各模型各工況下最大位移變化不大,經循環加載并卸載后閥體材料未發生塑性變形。但動態運行中進出口兩腔壓力差引起閥體位移,這會使填料函臺階與閥桿產生磨損從而發生介質泄漏,如果閥體的安裝固定原點由閥體的出口面改為進口面或閥桿口面,使閥體的壓差位移與閥桿的滑動方向盡量一致,對預防臺階的磨損失效是有利的。

　　(3) 按當量應力強度幅或當量交變應力值計算的疲勞分析結果表明,閥體不會疲勞失效而能安全持久,原來失效處不會繼續擴大。

參考文獻

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