Прогнозирование работоспособности клапанного блока при краевых значениях температур и давлений

Клапанные блоки БКН1 и БКН2 применяются в топливно-энергетическом комплексе повсеместно. Они используются для подключения манометров и датчиков абсолютного, избыточного, вакуумметрического давления, давления-разрежения к измерительным линиям в системах автоматизации и контроля за технологическими процессами.

Механизм действия блоков заключается в возможности безопасного отключения измерительной аппаратуры от измерительной линии, путём предварительного отсечения от системы и дренажа среды с давлением до нескольких десятков МПа. Это делает работу операторов, обслуживающих измерительную аппаратуру, безопасной, а также повышает сохранность КИП.

Современные клапанные блоки работают в широком температурном диапазоне и под давлением до 60 МПа, поэтому, при разработке этих изделий необходимо использование наукоёмких методов исследований свойств материалов, физики и гидродинамики изделий.

На сегодняшний день при проектировании практически любого оборудования, связанного с движением различных сред, взаимодействием твёрдых тел и жидкостей или газов, применяются различные системы анализа, в том числе основанные на методе конечных элементов, такие как Ansys.

Данная статья описывает пример прочностного расчёта клапанного блока БКН1 при двух значениях температур и давлений +20 ℃ (40 МПа) и +500 ℃ (35 МПа), произведённого на базе нашего инжинирингового центра инженерами-физиками.

При проведении прочностных расчётов основополагающими факторами является точное задание физических свойств материала исследуемого изделия и его трёхмерная модель.

В данном расчёте применялись механические свойства нержавеющей стали 12Х18Н10Т при температурах +20 ℃ и +500 ℃, описанные в ГОСТ 34233.1 – 2017 (таблица 1).

Как видно из таблицы 1 модуль Юнга (модуль упругой деформации) уменьшается ≈20 % с увеличением температуры, это связано с ослаблением межатомных связей при росте температуры. При этом коэффициент Пуассона остаётся неизменным. Приближенно эта зависимость описывается эмпирической формулой (1). Где α – коэффициент температурного снижения.

Изменение температуры сопровождается изменением характеристик материала в сторону его ослабления. А также, при циклических нагружениях, могут возникать дефекты и микротрещины, это связанно с усталостью металла, что приведёт к снижению срока эксплуатации изделия.

На это прямо указывает снижение предела текучести ≈ 35 % с увеличением температурного значения от +20 ℃ до +500 ℃

Приведённые выше данные и выкладки, в первую очередь говорят о важности точного указания физических характеристик материала.

В приведённом прочностном расчёте приведён общий вид используемой в расчёте модели (рисунок 1), учитывая факт, что изделие является симметричным при рассекании фронтальной плоскостью использовалась ½ модели.

Стоит отметить, что температурные условия накладываются на всю модель целиком.

На рисунке 2 показаны поверхности, к которым прикладывается давление. Таким образом давление прикладывается к поверхностям среда/детали клапана.

В исследуемой модели приведено два сварных шва (рисунок 3).

Для исследования напряженно-деформированного состояния модели задавался диапазон давления от 0 до 60 МПа с шагом 5 МПа, данное исследование было проведено для температур +20 ℃ и +500 ℃.

На рисунке 5 показан общий вид напряжений при давлении в 40 МПа (+500 ℃)

Как можно увидеть из модели наибольший рост напряжений наблюдается на входе и выходе из клапана, а также в местах разветвления потока и его редуцирования, однако это не влияет на целостность изделия и его герметичность.

Более критичным фактором, влияющем на работоспособность являются концентрации напряжений, возникающие в сварных соединениях (рисунок 6).

Как мы знаем при воздействии высокой температуры в сварном соединении может возникать процесс, называемый ползучестью, характеризующийся постепенным нарастанием пластических деформаций, особенно при постоянной нагрузке.

Для данного изделия, на основе требований ГОСТ 12.2.063-2015 «Арматура трубопроводная ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ», был выбран коэффициент запаса прочности η=2,4 по пределу прочности материала.

Коэффициент запаса прочности рассчитывался по формуле (2).

Где:
$\eta$ – Коэффициент запаса;
$\left[{\sigma }_{в}\right]$– Допускаемые напряжения, в данном случае временное сопротивление материала при исследуемой температуре, МПа;
$\sigma$ – Максимальные напряжения, полученные в модели

В таблицах 2 и 3 приведены расчёты напряжений в конструкции изделия при температурах +20 ℃ и +500 ℃ при повышении давления с шагом в 5 МПа.

Как видно из таблицы 2 на восьмой итерации повышения давления коэффициент запаса достигает порогового значения и при дальнейшем повышении давления соответственно снижается, что говорит о том, что при данной температуре рабочим значением давления принимается 35 МПа.

Как видно из таблицы 3 на двенадцатой итерации повышения давления коэффициент запаса достигает значения на 0,16 ниже порогового значения, что говорит о том, что при данной температуре рабочим значением давления принимается 40 МПа.

На рисунке 7 изображен условный график растяжений стали, который наглядно иллюстрирует процесс нелинейности, из которого видно, что после прохождения участка 0-σ_пц начинается процесс пластических деформаций. В МКЭ расчете поведение материала учитывается с помощью значений истинных напряжений и деформаций, преобразованных из инженерных.

Так при определённых давлениях, а именно в пределе от 15 до 25 МПа, линейного изменения значений коэффициента η не наблюдается (рисунок 8).

Из этого можно сделать следующие выводы:

• Хотя модуль Юнга Е при данных значениях температуры и отличается на 21%, а значения коэффициента запаса η при максимальных давлениях на 24% ниже нельзя утверждать, что такое аналогичные соотношения будут сохраняться всей линии приложения давления и будут в большей степени зависеть от значений напряжений и деформаций при конкретной температуре и значении давления;
• Оценка коэффициента запаса проведена в соответствии с ГОСТ 12.2.063-2015, для запаса по пределу прочности используется коэффициент 2,4. Таким образом обеспечение коэффициента запаса в блоке клапанном соответствует давлению 40 МПа при температуре +20 ℃ и 35 МПа для температуры +500 ℃. Для обеспечения работоспособности изделия при температуре 60 МПа необходимы дополнительные исследования;
• Следующим этапом исследований необходимо произвести стендовые испытания изделий и сравнить результаты с полученными в ходе данных аналитических расчётов.

Авторы статьи:
Нехаев Денис Петрович (Физик-расчётчик)
Тонеев Иван Романович (заместитель исполнительного директора Qlaps)