阀门热应力分析与研究

概述

　　阀门或压力容器的热应力分析属于热结构的耦合分析。自然界中电场、磁场、流场、结构场与温度场之间的关系是相互联系的，现实工程问题往往不是单一场问题，多数涉及多场耦合问题。由于受到计算方法的限制，在工程计算中，往往使用经验计算公式进行单场叠加计算求解耦合场计算问题。例如，压力容器计算往往先进行独立的压力场分析，计算应力值与对应温度下的许用应力值做比较考虑热对结构的影响。这种单场叠加计算耦合场的方法有时是可以接受的，但有些问题的计算精度不能达到要求，甚至得到错误的结果。计算机技术的发展使多场耦合分析成为可能。本文应用有限元分析软件，对阀门的压应力与热应力的耦合问题进行分析探讨。

压应力与热应力的关系

　　以一个直管道为例，应用ANSYS Workbench 软件计算压应力与热应力耦合应力。选取管道内径φ100mm，壁厚12mm，管道长度300mm。在管道内表面施加恒定温度载荷300℃，管道外壁施加对流换热系数，管道内表面施加压力载荷10MPa，管道左端面施加固定约束。在管道中截面处选取垂直穿过管道壁厚的应力评定线，用于考核当管道壁厚发生变化时，压应力与热应力耦合后的复合应力的变化情况( 图1) 。

图1 管道复合应力变化情况

　　根据计算结果( 图2) 分析，当管道壁厚在12 ～13. 5mm 时，随着管道壁厚的增加，压应力逐渐减小，复合应力逐渐减小。当管道壁厚在14 ～ 16mm时，随着管道壁厚的增加，热应力逐渐增加，复合应力逐渐增加。由此可以看出压力容器设计时，当考虑热应力影响的时候，并不是容器壁厚越厚越安全，壁厚的增加会引起热应力的迅速增加。根据软件优化设计的结论显示，当管道壁厚为13. 83mm 时，压应力与热应力耦合后的复合应力最小。因此，在管道设计时，可以选择最合理壁厚为13. 83mm。

图2 管道壁厚与复合应力的变化关系

　　(1) 通过对各工况下的阀体左端面施加固定约束或者无摩擦滑动约束的分析数据进行对比，应力值相差较小，可以认为没有影响。但在计算热应力时，如果阀体左端面固定约束，则阀体热膨胀的需求受到抑制，将在阀体左端面产生巨大的应力奇异，有时应力值高达上千兆帕。为了避免此种应力对分析结果的误导，通常在阀体左侧端面加一段直管道( 管道长度为管径的5 倍) ，在管道的左侧施加固定约束，使应力奇异发生在管道上( 图3) ，以便于阀体的分析。

图3 阀体左侧施加管道模型

　　(2) 由分析结论可知，在只有内表面温度载荷的情况下，应力数值较小。因为，没有温差就没有热量的传递。因此，只施加内表面温度载荷将产生错误的分析结果。

　　(3) 通过对阀体内表面温度载荷300℃，外表面对流换热系数6.7W/(m2·℃) 及阀体内表面温度载荷300℃，外表面温度298. 5℃两种工况的应力值对比分析，应力评定线上的应力强度值在同一数量级，而且数值相差较小，可以认为，这两种载荷的施加都是正确的。在做分析计算时，可以二者选一。但是，对流换热系数较难获得，需要对阀门所在的不同系统以及周围的环境温度进行单独的测
量。而外表面温度也不容易得到( 电站阀门现场外表面做保温处理，以降低热应力的影响) 。因此，应该根据具体的阀门使用情况来选用不同的载荷。

　　(4) 如果外表面绝热，将没有温差，没有温差就没有热应力。阀门现场都是将阀门外表面做保温处理( 理想的认为阀门处于绝热状态) ，来减小热应力对阀门的损坏。因此，此处的热应力数值几乎可以忽略不计。

结语

　　压力容器设计时，当容器内外壁温差较大，引起热应力时，应该进行压应力与热应力的耦合计算，壁厚也可通过优化分析选取最佳值。热应力分析时，应根据实际问题设定边界条件，防止影响计算结果。