حدثت مشاكل في ارتفاع درجة الحرارة وصمامات الضغط العالي

مع التطور السريع للطاقة الحرارية والبتروكيماويات والطاقة النووية والفضاء وغيرها من المجالات ، أصبح تطبيق الصمامات ذات درجات الحرارة العالية والضغط العالي أكثر شمولاً ، ولكن ظهرت أيضًا المشكلات التالية.
(1) سيؤدي التشغيل طويل الأمد تحت درجة حرارة عالية وضغط مرتفع وظروف عمل متناوبة إلى حدوثصمامالزحف ، مما يؤدي إلى إجهاد حراري وتشوه البلاستيك ، مما يؤدي إلى فشل الأجزاء المتحركة للصمام وهيكل السداد.
 

الشكل 1 توزيع قساوة العينات تحت المعالجات المبردة المختلفة


الشكل 2 توزيع الاستطالة وقوة الخضوع للعينات تحت المعالجات المبردة المختلفة
 
(2) قد يتجاوز الضغط الحراري العابر الحد الأقصى لتصميم الحالة المستقرة ، مما يؤدي إلى عدم كفاية قوة الصمام.
(3) في ظل ظروف العمل ذات الاختلاف في درجات الحرارة العالية والضغط العالي ، فإن السائل سوف يتغويز ويولد الفقاعات. عندما تنفجر الفقاعات ، سيتم إنشاء مطرقة الهواء ، مما ينتج عنه ضغط كبير ، وتجويف ، واهتزاز قوي وضوضاء ؛ سيكون أداء الصمام وعمر خدمته أسوأ وسيقل.
استجابة للمشاكل المذكورة أعلاه ، أجرى العمال المحليون والأجانب الكثير من البحث والتحسين.
 
1.تحسين المواد والهياكل
بدءًا من المواد والتصميم الهيكلي للصمام ، تم تحسين وتحسين الأجزاء المتحركة وهيكل السداد للصمام. أجرى بعض العلماء تحليل العناصر المحدودة على الصمام في درجات حرارة عالية ووجدوا أن تشوه الأجزاء ذات درجات الحرارة المرتفعة أكبر ، بينما يمكن تجاهل تشوه الأجزاء ذات درجات الحرارة المنخفضة. عند إجراء تحليل الإجهاد الحراري ، وجد WU وآخرون أن قلب الصمام ومقعد الصمام سوف يتشوهان بشكل كبير في ظل درجات الحرارة المرتفعة ، مما يؤدي إلى خلوص غير كافٍ للتركيب ، وبالتالي زيادة الاحتكاك بين الاثنين والتسبب في فشل الصمام في العمل بشكل صحيح. يمكن ملاحظة أنه في بيئة وسط درجة الحرارة المرتفعة ، يكون الصمام عرضة للتمدد الحراري ، مما يتسبب في تغيرات غير متساوية في أبعاد كل مكون ، ويقلل خلوص التركيب بين المكونات المختلفة للصمام ، مما يؤدي إلى التآكل الأجزاء المتحركة والمسامير المفكوكة والانسداد والتسرب. في بداية التصميم ، يجب مراعاة التمدد الحراري للمادة في درجات حرارة عالية بشكل كامل.
 
أولاً ، حدد المواد ذات معاملات التمدد الصغيرة ، وحاول اختيار المواد ذات معاملات التمدد المماثلة لكل مكون من مكونات الصمام بأكمله للتأكد من أنه في ظل درجات الحرارة العالية ، تميل كمية التشوه لكل مكون إلى أن تكون هي نفسها ؛ تجنب التشوه المفرط للمكونات الفردية. ثانيًا ، يجب الانتباه إلى الزحف والصلابة ومقاومة الصدمات ذات درجة الحرارة المرتفعة والخصائص الميكانيكية الأخرى لمادة الصمام للتعامل مع التآكل والتأثير على المدى الطويل من قبل الوسائط للصمام تحت درجات حرارة عالية ، وتحسين الموثوقية والسلامة من الصمام. قام بعض العلماء بتلخيص المواد التي يمكن استخدامها للصمامات ذات درجة الحرارة العالية عند درجات حرارة مختلفة ، كما هو موضح في الجدول 3.
 
الجدول 3 مواد اختيارية للصمامات ذات درجات الحرارة العالية عند درجات حرارة مختلفة

 
Please note that when the operating temperature exceeds 1000℃, it is only used when the carbon content is greater than or equal to 0.04%.
 
For sealing structures, graphite can be used instead of traditional rubber sealing, such as expanded graphite packing (Figure 4) and reinforced graphite packing, and the maximum working temperature can reach 600℃. They can still play a good sealing effect even if they are deformed at high temperatures due to their soft texture, and their chemical properties are stable. Graphite gaskets with metal inner reinforcing rings and outer locating rings can be selected to improve the locking force and sealing strength. The elastic seal can be selected, and the corresponding compensation adjustment is given by the spring to ensure the safe operation of the valve. Stellite alloy and chromate boron alloy can be selected as the sealing surface of the valve. The variation law of hardness changed with temperatures is shown in Figure 5. At a temperature of 500℃, the hardness of Cr14 and 9Cr10Mo decreases sharply, while the hardness of Stellite alloy and chromate boron alloy can still be kept at a temperature of 700℃, which can effectively avoid the failure of the valve due to the plastic deformation of the sealing surface.


Figure 4 The expanded graphite packing
 
2. The simulation analysis of working conditions
The three-field coupling of fluid, temperature and structure is analyzed based on the finite element analysis software, and the actual working state of the valve is restored for analysis. The finite element analysis method is mainly divided into single field analysis and coupled field analysis. The single field only considers the temperature field to analyze the valve. Weishu Cheng used ANSYS to analyze the temperature field of the right-angle globe valve under high temperatures and high pressure, obtained the temperature field distribution of the dangerous part of the valve, and adjusted the material and wall thickness of the valve according to the thermal position and peak value to improve the safety of the valve. Yujie Li analyzed the different parts of the electric control valve from three perspectives such as the steady-state temperature field, thermal stress field and thermal deformation field. The thermal stress at the packing is the greatest, followed by the copper guide sleeve. The bolt head material with better mechanical properties should be used, and the heat sink structure can effectively reduce the valve temperature. Qingzhong He and others used the Singhal cavitation model and the mass transfer equation to analyze the effect of thermodynamics on the cavitation of the control valve. The study found that the pressure reduction process of the control valve will cause part of the energy conversion and the absorption of latent heat of vaporization. As the temperature of the medium increases, the temperature rise in the throttling cavitation area increases, and the influence range of cavitation expands, as shown in Figure 6.
 

Figure 5 The variation trend of the temperature of each component at different temperatures
 
Although the temperature field can obtain the temperature distribution and the micro-deformation of the valve caused by thermal stress, it is only analyzed for a single factor, and the influence of factors such as structure and fluid are ignored. At present, most of the temperature field analysis is a steady-state thermal analysis, that is, maintaining a fixed temperature and obtaining the distribution of the valve temperature field only, but cannot obtain the temperature changed with time. Therefore, for the temperature under special conditions such as opening and closing of the valve, the field distribution cannot be quantitatively analyzed, and the influence of the actual comprehensive stress on the structural strength of the valve cannot be obtained.
 
The coupling field involves a two-field coupling analysis of heat-solid and a three-field coupling analysis of heat-fluid and solid, that is, after the distribution of the temperature field is obtained, it is used as a boundary load for stress field analysis. Jinliang Liu used Workbench to carry out the coupled stress under the pressure field and temperature field, and determined the minimum wall thickness under the combined action of thermal stress and compressive stress. Peng Lin analyzed the temperature field and stress field of the valve body of the steam turbine bypass valve under the standby and operating conditions, and the comprehensive stress and temperature gradient of the valve body at the valve inlet under the standby condition were the greatest. The distribution of the comprehensive stress value under operating conditions over time is shown in Figure 7. The comprehensive stress of the valve body first decreased, then increased; it decreased again until it was stable. The maximum stress was 85.6MPa. Shuxun Li used Fluent and ANSYS software to analyze the valve strength and fatigue under transient thermal shock using the heat-fluid-structure coupling method. The results showed that the transient thermal shock under pressure has a great influence on the temperature field, structural strength, fatigue life and sensitivity of the valve body. The variation of valve stress with time under thermal shock is shown in Figure 8.
 

Figure 6 Vaporization volume fraction under different pressure


Figure 7 The distribution of comprehensive stress value changed with time under operating conditions
 

Figure 8 Valve stress changed with time under the thermal shock
 
Compared with single field analysis, coupled field analysis can combine the actual situation, consider multiple issues such as fluid impact, thermal stress and structural strength, and conduct a more accurate analysis of service life and fatigue strength of valves. However, it is easy to have no solution due to the complex superposition of the composite field, the problem of setting boundary conditions, and a large amount of calculation. However, it is still undeniable that the heat-fluid-structure coupling has a great role in promoting the design and application of high-temperature and high-pressure valves.