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    管道机械接头密封性能的有限元分析

    2018-11-14   来源:   点击数:21次 选择视力保护色: 杏仁黄 秋叶褐 胭脂红 芥末绿 天蓝 雪青 灰 银河白(默认色)   合适字体大小:
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       中国钢管信息港报道称:AP1000核电站中用于管道破损防护评估的准则基本上遵照美国核管会(NRC)的导则要求,包括标准审查大纲(SRP)、NUREG-1061和其他相关的技术标准。AP1000核电站涉及的假想破管效应有几类,对于假想破管事故的动力效应主要局限于破裂区域以及管道破裂所导致的动力效应后果,如喷射冲击效应、管道甩击、隔间超压和流体系统的降压。高能管道是那些最高正常运行温度超过93.33°C(200°F)或者最高正常运行压力超过1.896MPa(275psi)的系统管道或部分系统管道。在2%或更少的系统运行时间甩超过93.33C或者1.896MPa,或者少于1°/的电厂运行时间甩经受高能压力或温度的管道系统被认为是中能的。AP1000核电站中的高能管道系统包括蒸汽发生器排污(BDS)、化学和容积控制(CVS)、主给水和启动给水(FWS)、主蒸汽(MSS)、一回路取样(PSS)、非能动堆芯冷却(PXS)、反应堆冷却剂(RCS)、蒸汽发生器(SGS)、主控制室可居住性(VES)、加热水(VYS);中能管道流体系统包括压缩和仪控空气(CAS)、设备冷却水(CCS)、除盐水余热排出(RNS)、乏燃料池冷却(SFS)、中央冷冻水(VWS)、液体废物(WLS)、放射性疏排水(WRS)。
      
      与常规岛有关的高能管道系统为:主给水和启动给水(FWS)、主蒸汽(MSS)、蒸汽发生器排污(BDS)、加热水(VYS):中能管道系统旮压缩和仪控空气(0八5)、设备冷却水、中央冷冻水、消防(FPS)等。
      
      统管道直径分别为100和200mm,比主蒸汽管道(1067mm)和主给水管道(508mm)小得多。从常规岛结构布置看。只要解决了主蒸汽和主给水管道的问题,也基本可以消除其他高能和中能管道断裂造成的影响。因此,本文重点讨论主蒸汽和主给水管道,2分别为某AP1000工程常规岛内主蒸汽和主给水管道的三维布置图。
      
      主蒸汽管道Fig.主给水管道Fig.2 2管道断裂位置分析常规岛内的高能管道非核级动力管道,管道断裂位1的判断主要荇2种方法。
      
      1管道机械接头的基本结构及其工作原理管道机械接头的设计结构如所示。
      
      管接头结构图管接头为轴对称结构,由2个外部套管和1个内部管箍组成。其工作原理是将被连接管道的两端插入管箍内,管箍内表面设有5条凸起的环形筋条(中间条是被连接管道插入管箍时的定位环,另外每段被连接管道的端部各有2条挤压环,挤压环的截面设计为等腰梯形最佳,若能使挤压环产生径向弹塑性变形,则可让挤压环牢固箍紧于被连接管道上H.管箍外表面设计成一定锥度,在管箱的外部另有一对套管,套管带有内锥度。在连接过程中,利用专用加载机具对套管沿轴向相向加力,两套管即可相对于管箍分别进行左右滑动,于是管箍受套管所施加的径向压力作用,发生弹塑性变形,被压紧在需连接的管段上,从而实现管箍与被连接管道的牢固连接和密封。
      
      2管接头的密封原理分析管道机械接头的密封属于静密封中的接触型密封,不需要其他密封剂、密封垫或者密封圈,而是通过金属与金属之间的过盈配合而形成可靠密封。
      
      在外套管由加载机进行轴向推进过程中,由于管箍的锥面作用,管箍受到径向箍紧力和轴向剪切力,同时还受到摩擦力,在径向箍紧力的作用下,产生径向缩小,使得管箍与被连接管道之间的间隙越来越小,直到管箍挤压环接触到内部管道,径向变形受到了一定的限制。此时,挤压环与管道之间的接触应力越来越大,当接触应力达到一定的程度,法向压力提高到足以引起管道表面发生明显的弹塑性变形时,挤压环与管道之间开始出现零间隙,形成所谓的过盈配合,即可达到密封的效果。
      
      由于两段被连接管道之间只通过定位环进行定位,其接触面上不存在其他的密封剂或者密封圈,因此在实际工程应用中,管道内的流体会从两段被连接管道的接触间隙中溢出,并渗入管道外表面与管箍内表面之间的间隙中,直至间隙中由于流体充满产生的压力与管道内压力大小相等,此时,管箍将受到间隙内流体产生的内压力(见),管箍挤压环除了具有连接管道的作用之外,还必须能够隔离管道内的流体,从而起到密封保护作用。因此,为了保证管道的密封性能,管接头必须能够承受与管道内压大小相等的压力。
      
      3.1密封面的接触应力对密封性能的影响管道的密封性能主要取决于连接后管箍挤压环与内部被连接管道之间接触面的接触应力。接触应力是接触面的法向负荷。只有足够大的法向负荷,才能使管箍挤压环与被连接管道之间形成阻止泄漏的零间隙过盈面,且在管道内流体处于最大内压时,接触应力仍然存在。因此,为了保证接头的密封性能,必须根据管道内压条件合理设计管箍、管套的结构尺寸,使得接头与管道连接后,在其接触面上产生足够大的弹塑性变形,即使在承受管内最大内压时,其接触面上仍然形成过盈面,并能够阻止被密封的管内流体泄漏,达到可靠密封的效果。
      
      3.2表面状态对密封性能的影响表征密封表面性能状态的参数有粗糙度、平整度、表面纹理方向及不延续状态等,这些参数都影响着管接头的密封性能,其中粗糙度和表面纹理影响较大。粗糙度是指微峰和微谷与平均值的差别,是材料切削方法(车、磨、削)所造成的结果。由于降低粗糙度会增加其生产成本,因而在加工中般以折中的办法取粗糙度为0.8~1.6m.加工方法的不同引起表面纹理方向的不同,分为单向的、多向的、径向的和周向的。由于管道机械接头为回转体,周向的纹理有利于增强密封性能,如果不能形成周向纹理,则必须使加工表面更加光洁,以达到同样的密封效果。
      
      4有限元分析及结果4.1管接头的有限元模型建立Marc软件是处理高度组合非线性结构、热及其他物理场和耦合场问题的高级有限元软件,其突出特点是非线性分析能力H.Marc计算分析过程主要由建立模型、网格划分、加载求解和结果显示组成S.建立了管接头有限元模型(如所示)。
      
      管接头有限元模型管接头的工作物理过程的有限元分析是一个复杂的问题,在工作过程中,局部可能产生塑性应变,同时管道与管接头之间,管接头内外件之间均会产生接触,表面还会产生摩擦应力63.因此,整个分析过程不但包括材料非线性、状态非线性,而且包含摩擦,但为了使求解过程简单顺利而忽略了摩擦。由于管接头为轴对称结构,为了使求解过程更加简便,可以取其截面建立2D模型,其中管道模型参数为标准管材,其弹性模量7为210GPa,泊松比为0.3.管接头材料牌号为Q345(16Mn),材料密度为7.85gcm3,弹性模量为210GPa,泊松比为0.3,屈服强度为345MPa8. 4.2管接头的有限元分析及结果管接头的密封性能主要取决于管接头的抗内压性能,管接头在抗内压过程中的有限元模拟分析是建立在压接过程基础上的。充压过程中,从管道内部表面向外施加一定的压力载荷,载荷的大小随着整个抗内压过程不断呈线性增大,直至管接头受内压导致接触面出现间隙,密封失效。
      
      中国钢管信息港报道称:为管接头在充压前后的等效应变云图。
      
      (a)为管接头在充压前的等效应变云图,由图可知,管箍与管道紧密贴靠,管箍的挤压环嵌入管道表面,此时,挤压环与管道之间的接触面不存在间隙。
      
      随着内压载荷的增大,由于管箍靠近两段被连接管道的接口处的壁厚相对更薄,因此先发生胀大变形,管箍与管道之间的间隙逐渐扩大,并且间隙扩大的面积从接口处慢慢延伸至管箍挤压环与管道之间的密封面(如(b)中箭头所示)。在实际工程应用中,当挤压环形成的密封面开始出现间隙时,接触面处形成泄漏通道,无法有效阻止管内的流体外流,从而导致密封完全失效。
      
      由于管接头的抗内压性能主要取决于管箍挤压环与管道之间的密封面的接触应力,因此可以对其接触应力进行分析,从而确定管接头的抗内压能力。所示为密封面上点的接触应力与时间的关系曲线,充压前,具有较大的接触应力,随着内压载荷的线性增大(如所示),接触应力开始不断减小,此时应为间隙产生阶段;至第40s时,接触应力达到最小值,此时管箍挤压环与管道之间已经无法实现紧密接触,可能产生泄漏;之后接触应力值回升,这有可能是管道内流体泄漏后的冲击力或者管接头自身变形产生的内部应力导致。因此,中出现最小接触应力值时,管接头最有可能达到极限的抗压力,对应的内压载荷为18MPa.密封面上的接触应力与时间曲线管道内压载荷与时间的关系曲线数值模拟得出管接头承受的极限内压为18MPa,当内压超过18MPa时,密封失效,而该管接头是按照承受最大工作内压15MPa的技术要求研制的,与数值模拟结果相比,15MPa的最大工作内压值更趋保守。因此,根据以上数据,使用上述设计尺寸的管道机械接头与管道,在工作过程中能够承受最大的工作内压,密封性能可靠。
      
      5结束语设计的管道机械接头利用对套管(下转第31页)0.75倍,一般直接输入1.0倍;若在应变硬化状态下,应不超过2.0倍。
      
      在输入波纹管波长时,应根据公式n +2L4计算得出数值输入。
      
      在输入疲劳寿命安全系数及疲劳循环次数时,应参照1中相关数值,取系数/>15,循环次数取75当膨胀节受压缩时,应注意H的距离不能太小,一定要大于其收缩量,过小则导流筒会和膨胀节相碰,使膨胀节不能起到应有的膨胀作用。
      
      在输入数据时,只输入“成形前名义厚度”,不输“成形后最小有效厚度”否则计算结果膨胀节的厚度偏小,不安全。
      
      5.4程序计算结果166.5MPa以上各应力均通过应力校核。p=0.2MPa  MPa,不需做疲劳寿命校核。
      
      6结束语根据各参数对膨胀节性能的影响规律,可以直观调整各参数来改善应力状况,设计出更合格的膨胀节。中国钢管信息港报道称
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