三偏心蝶阀热棘轮效应的数值模拟_李树勋.pdf

第 51 卷 第 6 期2023 年 6 月华 南 理 工 大 学 学 报（自 然 科 学 版）Journal of South China University of Technology（Natural Science Edition）Vol.51 No.6June 2023三偏心蝶阀热棘轮效应的数值模拟李树勋1，2 张建正1，2 尹会全3 康雯宇1，2 张博浩1，2 王宜雪1，2（1.兰州理工大学 石油化工学院，甘肃 兰州 730050；2.机械工业泵及特殊阀门工程研究中心，甘肃 兰州 730050；3.陕西蓝箭航天技术有限公司，陕西 西安 710199）摘要：为了探讨热棘轮效应对三偏心金属硬密封蝶阀密封副热变形及密封性能的影响，先排除了蝶阀发生塑性垮塌失效、密封结构在数次常温与高温交变循环载荷作用下发生疲劳失效的可能性，然后通过ANSYS Workbench有限元分析软件对三偏心蝶阀进行常温与高温交变循环载荷下的热棘轮效应研究，基于Chaboche非线性随动强化模型对三偏心蝶阀进行10次温度循环加载分析。结果表明：高温工况下阀座内环面与阀体外壁面的最大温差约为60，温度降低到常温后阀座的最大塑性应变随循环次数的增加出现渐增性塑性累积；10次温度循环后阀座的最大塑性应变为0.021 16，阀座在温度循环载荷的作用下发生热棘轮效应；在第5次温度交变循环之后，阀座与密封圈的最大径向变形分别为0.284 4 mm和0.275 3 mm；阀座的最大径向变形大于密封圈的最大径向变形，阀座的残余变形导致密封面出现间隙，证明三偏心蝶阀出现密封失效现象是由于阀座发生热棘轮效应导致的。对阀体外壁面进行良好保温后，经有限元计算阀座未发生棘轮效应，可见对阀体进行良好保温是避免因阀座发生棘轮效应而出现密封失效的有效手段。该研究结果揭示了蝶阀在数次常温与高温交变循环载荷作用下出现密封失效的原因，并提出相应的防范措施。这对相同工况下的其他类型阀门和压力管道等设备避免发生热棘轮效应具有十分重要的指导意义。关键词：三偏心蝶阀；热棘轮效应；Chaboche模型；循环载荷；密封中图分类号：TH134文章编号：1000-565X（2023）06-0119-10在石油化工、核电与火电等高温低压大口径管线切断及控制领域，蝶阀以其结构紧凑、流阻小及启闭迅速等优势被广泛应用于管路系统。工程构件如管道、阀门、压力容器在使用中多数处于循环应力载荷状态，而棘轮效应的累积会致使构件产生过大的塑性应变1-5。棘轮效应的发生是随着循环周期的递增出现渐增性塑性应变累积，每个循环周期结束后变形不能恢复原状，出现残余变形。三偏心金属硬密封蝶阀在常温与高温交变循环载荷下会出现密封失效现象，此现象很大程度上可能与密封结构发生塑性变形有关。目前，国内外学者对于棘轮效应的研究主要分为两个方面：一方面是对材料棘轮效应的研究，另一方面是对结构棘轮效应的研究。对于材料棘轮效应的研究，通常是利用弹塑性理论及本构理论建立材料的本构模型。Chellapandi等6采用Chaboche模型对G91钢的各种循环变形模式进行了研究，预测棘轮边界的累积棘轮应变。Rajpurohit等7通过改变doi：10.12141/j.issn.1000-565X.220349收稿日期：20220606基金项目：甘肃省科技计划资助项目（22CX8GA125）；甘肃省教育厅“双一流”重点项目Foundation item：Supported by the Science and Technology Program Funding of Gansu Province（22CX8GA125）作者简介：李树勋（1973-），男，教授，主要从事特殊阀门研究。E-mail：第 51 卷华 南 理 工 大 学 学 报（自 然 科 学 版）应力参数，研究 200 个循环非对称循环加载对2.25Cr-Mo微合金钢室温拉伸行为的累积塑性应变的影响。Dwivedi等8研究了高强度低合金钢组织结构演变与棘轮变形的关系。Mishra等9研究了平均应力对9Cr-1Mo在室温和600 下棘轮行为的影响规律，对比分析不同温度下，平均应力分别为0.26 MPa和0.20 MPa时的棘轮行为。姜金朋等10采用CS1026试验的应力应变滞回曲线和棘轮应变历程曲线确定不同Chaboche非线性随动强化模型的参数。对于结构棘轮效应的研究，大多数文献通过有限元分析对真实工程构件进行棘轮行为研究及循环塑性分析。Varvani-Farahani等11通过棘轮-安定区域的边界和划分评价应力循环过程中的塑性变形累积。Tian 等12利用用户材料子程序（UMAT）在ABAQUS有限元软件中对SA508-3钢的温度棘轮行为进行了数值模拟。Saravanan等13对304不锈钢直管在内压和循环弯曲联合载荷作用下的棘轮行为进行了数值模拟。Shi等14研究了Z2CND18.12N不锈钢弯管在恒内压和负载控制下反向弯曲作用下的棘轮变形。刘雪林等15基于RCC-M规范并采用薄壁圆筒近似公式对管道的热棘轮效应进行评价。王明毓等16采用Chaboche非线性随动强化模型对稳压器喷淋管线三通的热棘轮变形进行评定。陈小辉等17通过试验方式分析内压及循环位移对核电管道棘轮应变的影响。综上，目前在结构的棘轮效应方面，很少有学者采用非线性随动强化模型对复杂异形结构进行棘轮效应模拟分析与预测。本研究以三偏心蝶阀为载体，采用 Chaboche非线性随动强化模型进行热棘轮有限元分析，分析热棘轮效应对蝶阀密封副热变形及密封性能的影响，探究阀在数次常温与高温交变循环载荷下出现密封失效问题的原因。1棘轮效应及循环载荷下结构的力学行为1.1棘轮效应在材料力学中，棘轮效应指材料在非对称应力控制循环加载下非弹性变形的累积，又称为棘齿效应或循环蠕变。当金属材料受到拉伸或压缩载荷作用时，如果应力过大超出材料的屈服强度，材料将会发生塑性变形。外力卸载并反向加载时，材料首先在弹性阶段恢复，继而发生反向塑性变形，如果反向施加的载荷小于初始正向载荷，那么材料的反向总变形就会小于正向总变形，进而产生残余应变。如此循环反复，就会出现塑性应变累积的现象，即材料发生棘轮效应18。三偏心蝶阀在数次常温与高温交变循环温度载荷下出现的密封失效问题，是由于蝶阀密封结构发生棘轮效应后产生渐增性塑性变形导致的密封失效。1.2循环载荷下结构的力学行为在石油化工、航空航天及核电等特殊领域，压力容器和管道等承压设备工作条件较为复杂，往往同时承受循环的温度载荷、机械载荷及其他循环作用的耦合载荷，致使设备由于塑性变形累积而发生塑性垮塌或断裂19。结构在承受循环载荷作用时，所产生的塑性应变不断累积增加，并最终导致结构破坏，这种效应就是棘轮效应。结构出现的棘轮效应力学行为如图1所示。图中：S为屈服压力，为等效应力，为等效应变。2Chaboche模型参数确定Chaboche模型是由Lemaitre和Chaboche提出的一种基于Von Mises屈服准则的非线性随动强化模型，该模型表达式如下20：=i（1）d=Cidp(-)-idp，i=1，2，3（2）式中：为背应力张量；i为第 i 个背应力分量，MPa；i为背应力的个数；为等效应力，MPa；dp SO图1棘轮效应示意图Fig.1Schematic diagram of ratchet effect120第 6 期李树勋 等：三偏心蝶阀热棘轮效应的数值模拟为等效塑性应变增量；Ci为初始运动硬化模量；为材料的特性参数。对式（2）进行积分，可得=C(1-e-p)（3）采用3组参数的Chaboche强化模型，则式（3）可写为=C11(1-e-1p)+C22(1-e-2p)+C33(1-e-3p)（4）式中，1为增加的塑性变形个数，CF8的Chaboche本构模型参数参照文献 21，屈服极限Sy为207 MPa，C1、C2、C3分别为115 000、65 000和1 310 MPa，1、2、3分别为3 700、600和2.75。3三偏心蝶阀热棘轮效应的有限元分析由于蝶阀承受高低温循环载荷作用，因此蝶阀棘轮效应数值模拟是一个高度复杂并涉及3种非线性行为的有限元问题，蝶阀棘轮效应数值模拟流程图如图2所示。增加载荷步是为了使迭代合力值线低于收敛准则线，而细化网格是为了使网格质量达到 0.7 以上，这两种方法都有助于计算收敛。3.1材料属性三偏心蝶阀密封结构采用金属硬密封的形式。蝶阀工况参数为：公称通径 DN200，公称压力PN16，工作温度650，适用于高温空气、熔盐、煤气等介质。阀体、密封圈等材料选用A351 CF8，屈服强度207 MPa（22）、98 MPa（650），阀杆、轴套等材料选用 Inconel 625，屈服强度 345 MPa（22）、266 MPa（650），主要零部件材料性能如表1所示。3.2几何模型三偏心蝶阀二维剖视图如图3所示。对蝶阀常温工况与高温工况下的密封性能进行分析主要针对的是密封结构部分，并不涉及蝶阀散热架与驱动装置，因此只对阀体及密封结构建模，几何模型如图4所示。3.3网格划分与网格无关性检验将三偏心蝶阀简化后的几何模型导入ANSYS Workbench有限元分析软件，采用自适应网格划分和局部网格控制技术进行网格划分22。考虑到网格数量和网格质量对计算结果的影响，通过不断细化网格以保证相邻网格密度之间具有较小的数值分析 定义密封结构材料的Chaboche循环塑性本构模型建立蝶阀几何模型打开大变形开关与自动时间步，设置载荷步长增加载荷步计算是否收敛？查看仿真计算结果，根据棘轮应变值判断蝶阀是否有棘轮效应发生对网格单元发生高度扭曲部位进行网格细化是否三偏心蝶阀热棘轮效应数值模拟输入循环温度载荷条件及位移边界条件网格划分及网格无关性检验图2棘轮效应数值模拟流程图Fig.2Flow chart of numerical simulation of ratchet effect表1蝶阀主要零部件材料性能参数Table 1Material performance parameters of main parts of butterfly valve零件名称阀体、密封圈阀杆、轴套材料A351 CF8Inconel 625弹性模量/GPa195（22）146（650）207（22）169（650）热膨胀系数/（106 1）15.3（22）19.0（650）12.0（22）14.8（650）导热系数/（W （m ）1）14.8（22）24.3（650）9.8（22）19.1（650）阀体阀板定位销密封圈散热架支架图3三偏心蝶阀二维剖视图Fig.3Two dimensional sectional view of three eccentric butterfly valve121第 51 卷华 南 理 工 大 学 学 报（自 然 科 学 版）误差。对模型进行网格无关性验证，单元数目为429 832 时最大应力值是 77.42 MPa，单元数目为478 236 时最大应力值是 81.01 MPa，单元数目为509 531 时最大应力值是 83.33 MPa，单元数目为530 612 时最大应力值是 83.89 MPa，单元数目为587 324时最大应力值是83.63 MPa。随着网格单元数目的增加，最大应力值相应增大，网格单元数目为 429 832 与 478 236 时的最大应力值相差 4.6%，网格单元数目为478 236与509 531时的最大应力值相差2.8%，网格单元数目为 509 531与530 612时的 最 大 应 力 值 相 差 0.67%，网 格 单 元 数 目 为530 612与587 324时的最大应力值相差0.31%，最终确定网格节点数目为805 186，网格单元数目为509 531，网格模型如图5所示。3.4载荷与约束施加高温蝶阀在整个寿命周期内承受恒定的内压和循环温度载荷，循环温度载荷为22 升温到650 的过程以及650 降温到22 的过程，即随着介质温度的升高蝶