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管道機械接頭密封性能的有限元分析

2019-11-27 13:13   评论:53 点击:153
  中國鋼管信息港報道稱:AP1000核電站中用於管道破損防護評估的準則基本上遵循美國核管會(NRC)的導則要求,包括標準審查大綱(SRP)、NUREG-1061和其他相關的技術標準。AP1000核電站涉及的假想破管效應有幾類,對於假想破管事故的動力效應首要局限於破裂區域和管道破裂所導致的動力效應後果,如噴射衝擊效應、管道甩擊、隔間超壓和流體係統的降壓。高能管道是那些最高正常運行溫度超過93.33°C(200°F)或者最高正常運行壓力超過1.896MPa(275psi)的係統管道或部分係統管道 。在2%或更少的係統運行時間甩超過93.33C或者1.896MPa,或者少於1°/的電廠運行時間甩經受高能壓力或溫度的管道係統被以為是中能的。AP1000核電站中的高能管道係統包括蒸汽發生器排汙(BDS)、化學和容積控製(CVS)、主給水和啟動給水(FWS)、主蒸汽(MSS)、一回路取樣(PSS)、非能動堆芯冷卻(PXS)、反應堆冷卻劑(RCS)、蒸汽發生器(SGS)、主控製室可居住性(VES)、加熱水(VYS);中能管道流體係統包括壓縮和儀控空氣(CAS)、設備冷卻水(CCS)、除鹽水餘熱排出(RNS)、乏燃料池冷卻(SFS)、中心冷凍水(VWS)、液體廢物(WLS)、放射性疏排水(WRS)。
  
  與常規島有關的高能管道係統為:主給水和啟動給水(FWS) 、主蒸汽(MSS)、蒸汽發生器排汙(BDS)、加熱水(VYS) :中能管道係統旮壓縮和儀控空氣(0八5)、設備冷卻水、中心冷凍水 、消防(FPS)等 。
  
  統管道直徑分別為100和200mm ,比主蒸汽管道(1067mm)和主給水管道(508mm)小得多 。從常規島結構布置看。隻要解決了主蒸汽和主給水管道的題目,也基本可以消除其他高能和中能管道斷裂釀成的影響。是以 ,本文重點討論主蒸汽和主給水管道,2分別為某AP1000工程常規島內主蒸汽和主給水管道的三維布置圖。
  
  主蒸汽管道Fig.主給水管道Fig.2 2管道斷裂位置分析常規島內的高能管道非核級動力管道,管道斷裂位1的判定首要荇2種方法。
  
  1管道機械接頭的基本結構及其工作道理管道機械接頭的設計結構如所示。
  
  管接頭結構圖管接頭為軸對稱結構,由2個外部套管和1個內部管箍構成。其工作道理是將被連接管道的兩端插進管箍內,管箍內表麵設有5條突出的環形筋條(中間條是被連接管道插進管箍時的定位環 ,另外每段被連接管道的端部各有2條擠壓環,擠壓環的截麵設計為等腰梯形最好,若能使擠壓環產生徑向彈塑性變形 ,則可讓擠壓環牢固箍緊於被連接管道上H.管箍外表麵設計成一定錐度,在管箱的外部另有一對套管,套管帶有內錐度 。在連接過程中,利用專用加載機具對套管沿軸向相向加力 ,兩套管即可相對於管箍分別進行擺布滑動,因而管箍受套管所施加的徑向壓力感化,發生彈塑性變形,被壓緊在需連接的管段上,從而實現管箍與被連接管道的牢固連接和密封。
  
  2管接頭的密封道理分析管道機械接頭的密封屬於靜密封中的接觸型密封,不需要其他密封劑、密封墊或者密封圈,而是通過金屬與金屬之間的過盈配合而形成可靠密封。
  
  在外套管由加載機進行軸向推進過程中 ,由於管箍的錐麵感化,管箍受到徑向箍緊力和軸向剪切力,同時還受到摩擦力,在徑向箍緊力的感化下,產生徑向縮小,使得管箍與被連接管道之間的間隙愈來愈小,直到管箍擠壓環接觸到內部管道,徑向變形受到了一定的限製。此時,擠壓環與管道之間的接觸應力愈來愈大,當接觸應力達到一定的程度,法向壓力進步到足以引發管道表麵發生明顯的彈塑性變形時,擠壓環與管道之間開始出現零間隙,形成所謂的過盈配合,即可達到密封的效果。
  
  由於兩段被連接管道之間隻通過定位環進行定位,其接觸麵上不存在其他的密封劑或者密封圈,是以在實際工程利用中,管道內的流體會從兩段被連接管道的接觸間隙中溢出,並滲透管道外表麵與管箍內表麵之間的間隙中,直至間隙中由於流體布滿產生的壓力與管道內壓力大小相等,此時,管箍將受到間隙內流體產生的內壓力(見) ,管箍擠壓環除了具有連接管道的感化以外,還必須能夠隔離管道內的流體,從而起到密封保護感化。是以,為了保證管道的密封性能,管接頭必須能夠承受與管道內壓大小相等的壓力 。
  
  3.1密封麵的接觸應力對密封性能的影響管道的密封性能首要取決於連接後管箍擠壓環與內部被連接管道之間接觸麵的接觸應力。接觸應力是接觸麵的法向負荷。隻有足夠大的法向負荷,才能使管箍擠壓環與被連接管道之間形成禁止泄漏的零間隙過盈麵,且在管道內流體處於最大內壓時,接觸應力仍然存在 。是以,為了保證接頭的密封性能,必須根據管道內壓條件公道設計管箍、管套的結構尺寸,使得接頭與管道連接後,在其接觸麵上產生足夠大的彈塑性變形,即使在承受管內最大內壓時,其接觸麵上仍然形成過盈麵,並能夠禁止被密封的管內流體泄漏 ,達到可靠密封的效果。
  
  3.2表麵狀況對密封性能的影響表征密封表麵性能狀況的參數有粗糙度、平整度、表麵紋理方向及不延續狀況等,這些參數都影響著管接頭的密封性能,其中粗糙度和表麵紋理影響較大 。粗糙度是指微峰和微穀與均勻值的差別,是材料切削方法(車、磨、削)所釀成的結果。由於降低粗糙度會增加其生產本錢 ,因此在加工中般以折衷的辦法取粗糙度為0.8~1.6m.加工方法的不同引發表麵紋理方向的不同,分為單向的、多向的、徑向的和周向的。由於管道機械接頭為回轉體,周向的紋理有益於加強密封性能,假如不能形成周向紋理,則必須使加工表麵更加光潔,以達到同樣的密封效果。
  
  4有限元分析及結果4.1管接頭的有限元模型建立Marc軟件是處理高度組合非線性結構、熱及其他物理場和耦合場題目的高級有限元軟件 ,其突出特點是非線性分析能力H.Marc計算分析過程首要由建立模型、網格劃分、加載求解和結果顯示構成S.建立了管接頭有限元模型(如所示)。
  
  管接頭有限元模型管接頭的工作物理過程的有限元分析是一個複雜的題目,在工作過程中,局部可能產生塑性應變,同時管道與管接頭之間,管接頭內外件之間均會產生接觸,表麵還會產生摩擦應力63.是以,全部分析過程不但包括材料非線性、狀況非線性,而且包含摩擦,但為了使求解過程簡單順利而忽略了摩擦。由於管接頭為軸對稱結構,為了使求解過程更加簡便,可以取其截麵建立2D模型,其中管道模型參數為標準管材,其彈性模量7為210GPa,泊鬆比為0.3.管接頭材料牌號為Q345(16Mn),材料密度為7.85gcm3,彈性模量為210GPa,泊鬆比為0.3 ,屈服強度為345MPa8. 4.2管接頭的有限元分析及結果管接頭的密封性能首要取決於管接頭的抗內壓性能,管接頭在抗內壓過程中的有限元模擬分析是建立在壓接過程基礎上的 。充壓過程中,從管道內部表麵向外施加一定的壓力載荷,載荷的大小隨著全部抗內壓過程不斷呈線性增大,直至管接頭受內壓導致接觸麵出現間隙,密封失效。
  
  中國鋼管信息港報道稱:為管接頭在充壓前後的等效應變雲圖。
  
  (a)為管接頭在充壓前的等效應變雲圖,由圖可知,管箍與管道緊密貼靠,管箍的擠壓環嵌進管道表麵,此時,擠壓環與管道之間的接觸麵不存在間隙。
  
  隨著內壓載荷的增大,由於管箍靠近兩段被連接管道的接口處的壁厚相對更薄,是以先發生脹大變形,管箍與管道之間的間隙逐步擴大,並且間隙擴大的麵積從接口處慢慢延伸至管箍擠壓環與管道之間的密封麵(如(b)中箭頭所示)。在實際工程利用中,當擠壓環形成的密封麵開始出現間隙時,接觸麵處形成泄漏通道,無法有效禁止管內的流體外流,從而導致密封完全失效 。
  
  由於管接頭的抗內壓性能首要取決於管箍擠壓環與管道之間的密封麵的接觸應力,是以可以對其接觸應力進行分析,從而確定管接頭的抗內壓能力。所示為密封麵上點的接觸應力與時間的關係曲線 ,充壓前,具有較大的接觸應力,隨著內壓載荷的線性增大(如所示),接觸應力開始不斷減小,此時應為間隙產生階段;至第40s時,接觸應力達到最小值,此時管箍擠壓環與管道之間已無法實現緊密接觸,可能產生泄漏;以後接觸應力值回升,這有可能是管道內流體泄漏後的衝擊力或者管接頭本身變形產生的內部應力導致。是以,中出現最小接觸應力值時,管接頭最有可能達到極限的抗壓力,對應的內壓載荷為18MPa.密封麵上的接觸應力與時間曲線管道內壓載荷與時間的關係曲線數值模擬得出管接頭承受的極限內壓為18MPa,當內壓超過18MPa時,密封失效,而該管接頭是按照承受最大工作內壓15MPa的技術要求研製的,與數值模擬結果相比,15MPa的最大工作內壓值更趨守舊。是以,根據以上數據,使用上述設計尺寸的管道機械接頭與管道,在工作過程中能夠承受最大的工作內壓,密封性能可靠 。
  
  5結束語設計的管道機械接頭利用對套管(下轉第31頁)0.75倍,一般直接輸進1.0倍;若在應變硬化狀況下,應不超過2.0倍。
  
  在輸進波紋管波長時,應根據公式n +2L4計算得出數值輸進。
  
  在輸進疲憊壽命安全係數及疲憊循環次數時,應參照1中相關數值,取係數/>15,循環次數取75當膨脹節受壓縮時,應重視H的間隔不能太小,一定要大於其收縮量,過小則導流筒會和膨脹節相碰,使膨脹節不能起到應有的膨脹感化。
  
  在輸進數據時,隻輸進“成形前名義厚度”,不輸“成形後最小有效厚度”否則計算結果膨脹節的厚度偏小,不安全。
  
  5.4程序計算結果166.5MPa以上各應力均通過應力校核。p=0.2MPa  MPa,不需做疲憊壽命校核。
  
  6結束語根據各參數對膨脹節性能的影響規律,可以直觀調整各參數來改善應力狀況,設計出更合格的膨脹節。中國鋼管信息港報道稱

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