Рисунок 1. Конструкция регулирующего клапана Ду 300 (1

Статья поступила в редакцию 14.12.2011
2012.01.6
ПОВЫШЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ НАДЕЖНОСТИ
КЛАПАНОВ РЕГУЛИРУЮЩИХ ДИСКОВОГО ТИПА
Сааков Э.С.1, Кузин Ю. С.2
1
ОАО «Атомтехэнерго», http://www.atech.ru,
email: MGP@atech.ru
2
ОАО «Атоммашэкспорт» http://www.atomexp.ru,
email: dark.85@list.ru
Проведен анализ результатов расчетных исследований гидродинамики потока в
регулирующих клапанах дискового типа. С использованием методов теории упругости и
механики жидкостей и газов проведено исследование расчетных моделей для определения
напряженно-деформированного состояния (НДС) и проведения гидравлических расчетов
клапана, по результатам которых выработаны рекомендации по улучшению конструкции
клапанов. В соответствии с рекомендациями выполнена модернизация клапанов. Выполнены
виброизмерения на трубопроводах до и после модернизации. Проведен анализ влияния
модернизации на вероятность безотказной работы клапанов.
Клапаны регулирующие дискового типа предназначены для регулирования различных параметров
рабочей среды в технологических системах трубопроводов и оборудования ТЭС и АЭС. Расчетное
давление клапанов до 18 МПа, температура эксплуатации до 3500С, среда – вода и пар. Эскиз клапана Ду
300 изображен на рисунке 1.
На рис. 1 обозначены следующие расчетные области для проведения гидравлического расчета: I –
область течения входного патрубка, II – область течения в корпусе клапана с поворотом потока на 270
градусов, III – область течения в стакане с поворотом потока на 90 градусов, IV – область течения в
выходном патрубке.
При эксплуатации регулирующих клапанов при давлении свыше 18 МПа для клапана Ду 300 были
выявлены следующие недостатки конструкции клапана:
1) Пульсация расхода среды, неудовлетворительная работа клапана при малых расходах (Пульсация
расхода при отсутствии сигнала на перемещение в некоторых режимах около 30 т/ч (10% от номинала);
2) Эрозионный износ в выходном патрубке.
Рисунок 1. Конструкция регулирующего клапана Ду 300
(1 – корпус, 2 – стакан, 3 – золотник, 4 – седло).
29
Сааков Э.С., Кузин Ю. С.
Для решения данной проблемы были проанализированы расчетные модели для определения
напряженно- деформированного состояния (НДС) и проведены гидравлические расчеты клапана Ду 300
типа «Диск», использованные для выработки мероприятий по улучшению работы этих клапанов [1].
В настоящей работе проводится анализ влияния модернизации на показатели эксплуатационной
надежности клапанов Ду 300. Было установлено, что причиной повышенной вибрации рассматриваемого
клапана и последующего трубопровода, а также невозможности надёжно контролировать расход, является
сложный характер течения рабочей среды в его проточной части. Уменьшение влияния характера течения
на вибрацию последующего трубопровода, а также нестабильность течения, осуществляется установкой
перфорированной корзины (рис. 2.), которая разрушает крупные вихревые образования, возникающие в
стакане.
Рисунок 2. Конструкция измененного регулирующего клапана. (1 – корпус, 2 – стакан, 3 – золотник, 4 – седло, 5 –
перфорированная корзина, 6 – перфорированный диск (перфорация не показана), 7 – защитное кольцо из
аустенитной стали).
Как показали расчеты, поля скоростей клапана стали однородными, что иллюстрируется
векторными диаграммами скоростей в проточной части клапана и последующего трубопровода,
приведенных на рис. 3,4.
На рис.5 приведена расчетная схема участка напорных питательных трубопроводов, в которой
установлены клапаны. Замеры вибрационных характеристик производились до и после модернизации.
Максимальная амплитуда виброперемещений до модернизации составила 0,4 мм, а после модернизации –
0,05 мм.
Наиболее нагруженным с точки зрения прочности является шов приварки клапана Ду 300 к
трубопроводу. На рисунке 6 показаны расчетные сечения для корпуса клапана Ду 300.
При выполнении расчета на прочность были учтено действующее на клапан давление, усилие
затяжки шпилек фланцевого соединения, усилия на патрубки клапанов от трубопроводов [2, 4, 5, 6],
температурные поля.
Корпус клапана имеет довольно сложную форму. Расчёт НДС клапана проводится по программе
конечно-элементного анализа ”ANSYS” [4].
30
Повышение эксплуатационной
надежности клапанов регулирующих…
Рисунок 3. Векторная диаграмма поля скоростей клапана модернизированного.
Рисунок 4. Векторная диаграмма поля скоростей в трубопроводе после клапана
модернизированного.
31
Сааков Э.С., Кузин Ю. С.
Рисунок 5. Расчетная схема участка напорных питательных трубопроводов
В соответствии с расчетом прочности клапана Ду 300 наибольшие напряжения в сечении 1-1/
составили σ p = 308,4 МПа, без учета напряжений от вибрации.
Рисунок 6. Расчетные сечения для корпуса клапана Ду 300
Для определения напряжений от вибрации воспользуемся расчетной схемой участка напорных питательных
трубопроводов. (см. рисунок 5).
В соответствии с [8] связь виброперемещения с усилием, приложенным по схеме
показанной на рисунке 5, описывается формулой:
Pa 3 b 2 (3a + 4b)
δ=
(1)
12l 3 EJ
Из этой формулы следует, что возникающий момент в сечении 1-1/ равен:
M =
P a3 
a
× 2  3 − b
2 l 
l
(2)
Окончательно для значения момента М через величину δ получим формулу:
M =
6δEJl 
a
6
 3 −  = 53,47 × 10 н×мм
ab(3a + 4b) 
l
(3)
где δ – максимальные виброперемещения, а=2950 мм, б= 3300 мм, l = 6250 мм, m = 720 кг –
масса клапана Ду 300;
32
Повышение эксплуатационной
надежности клапанов регулирующих…
Соответственно напряжения от вибрационных нагрузок будут равны:
M
= 35,34 МПа
W
– до модернизации ∆σ вибр =
– после модернизации ∆σ вибр =
(4)
M
= 4,42 МПа
W
Вероятность безотказной работы по критерию прочности (вероятность разрушения) – вероятность того,
что расчетные напряжения в расчетном сечении клапана не превышают предельных напряжений.
Напряжение и прочность рассматриваем как независимые друг от друга случайные величины,
распределенные по нормальному закону.
Числовое значение вероятности не разрушения элемента определяем в соответствии с [9] по таблице
нормального распределения по квантили:
– до модернизации
up = −
n −1
2
n ⋅ v в2 + v 2рас
= −1,04588
(5)
– после модернизации
где
n=
σB
σ p + ∆σ вибр
up = −
n −1
n 2 ⋅ v в2 + v 2рас
= −1,62
− коэффициент запаса прочности,
v в - коэффициент вариации случайной величины σ в ,
v рас = - коэффициент вариации случайной величины σ рас , σ p – расчетное напряжение без учета вибрационных
нагрузок;
По таблицам [8] определяется вероятность неразрушения:
– до модернизации: Рмуф=0,85;
– после модернизации: Рмуф=0,95.
Данная величина вероятности безотказной работы удовлетворяет нормативным требованиям к клапанам Ду 300.
Выводы:
1) В результате проведенной модернизации клапанов Ду 300 вероятность безотказной работы увеличилась с
величины 0,85 до 0,95, что удовлетворяет требованиям нормативно-технической документации на клапана Ду 300.
2). При проектировании регулирующих клапанов типа «Диск», начиная с размеров Ду300 и более,
необходимо производить расчетные обоснования клапанов с учетом всех приведенных выше нагрузок и методов
анализа, особое внимание необходимо обращать на учет эксплуатационных вибрационных нагрузок.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Кузин Ю.С., Плахов А. Г. Повышение надежности клапанов регулирующих дискового типа
применяемых на ТЭС и АЭС.// Фундаментальные исследования. -2011. - №12. - С. 355-360.
2. Нормы расчета на прочность оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок.
ПНАЭ Г-7-002-86.
3. Программный комплекс ANSYS, версия 6.0, лицензия 151427, регистрационный номер паспорта
аттестации №145 от 31.10.2002.
4. Трубопроводная арматура для атомных станций. Общие технические требования. НП-068-05.
5. Технические условия на клапана регулирующие типа «Диск», ТУ 6981-033-45475812-00.
6. В. А. Острейковский, Ю.В. Швыряев «Безопасность атомных станций. Вероятностный анализ», Москва,
«Физматиздат», 2008 г., 350 с.
7. Methodology ANSYS-CFX. Version 10.0. London, Computational Dynamics, 2005.
8. Писаренко Г.С., А.П. Яковлев, В. В. Матвеев. Справочник по сопротивлению материалов.- Киев: Наук.
Думка, 1988.-756 с. –ISB N 5-12-000299-4.
9. Решетов Д. Н., Иванов А. С., Фадеев В. З. Надежность машин. М.; Высш. шк., 1988.
33