Análisis de deformación por soplado de válvulas globulares de alta temperatura y alta presión

Resumen: Para investigar la deformación por golpe del tallo en alta temperatura,Válvulas de globo de alta presiónCausado por el impacto del fluido a alta velocidad durante la apertura, se realizaron simulaciones numéricas para analizar las fuerzas del vástago y la deformación en condiciones de nitrógeno de 1700 K y 200 MPa. Se utilizó la ecuación de estado de gas real de Redlich-Kwong para modelar las propiedades del nitrógeno y el modelo de turbulencia de k-ε realizable. Los resultados muestran que la fuerza de impacto lateral sobre el vástago alcanzó un máximo de 310,16 kN durante la apertura inicial, causando una deformación máxima de 1,1986mm en la base del vástago. Se produjo una concentración de tensión significativa en la conexión vástago-soporte, con una tensión equivalente máxima de 156,52 MPa, lo que indica un punto débil potencial en el diseño estructural. A medida que la válvula se acercaba a la apertura completa, la fuerza lateral sobre el vástago invirtió la dirección. Este estudio proporciona una guía para evaluar la integridad estructural y la vida de fatiga de los vástagos de válvulas de globo, así como para optimizar el diseño de la estructura de soporte.

Las válvulas de globo son componentes esenciales para regular el flujo de fluidos en sistemas industriales. A medida que avanzan las industrias de procesos, las condiciones de operación extremas, como las altas temperaturas y las altas presiones en aplicaciones aeroespaciales, petroquímicas y de energía nuclear, presentan desafíos significativos para la estabilidad y confiabilidad de estas válvulas. Cuando el medio de trabajo es un gas de alta temperatura y alta presión, la superficie exterior del núcleo de la válvula está directamente sujeta al impacto normal del gas durante la apertura. Este impacto induce deformación lateral tanto del núcleo de la válvula como del vástago, conduciendo a la deformación por soplado del vástago.

La sección transversal estructural de la válvula de globo se muestra en la Figura 1(a). La válvula consiste principalmente en un cuerpo, vástago, núcleo de válvula, asiento, secciones de entrada y salida, cavidad central, componentes de aislamiento térmico y conectores. La válvula de globo cumple dos funciones principales. Primero, antes de la operación del sistema, durante el calentamiento del calentador y la presurización previa, aísla el gas de alta temperatura y alta presión dentro del calentador de la tubería aguas abajo, satisfaciendo así los requisitos de calentamiento y sellado y asegurando la seguridad aguas abajo. En segundo lugar, durante el funcionamiento del sistema, la válvula permite una rápida apertura y cierre para regular o detener el flujo de gas según sea necesario. La figura 1(b) presenta una sección transversal del vástago de la válvula de globo. Un canal de enfriamiento interno permite la circulación de agua de enfriamiento a través del vástago durante la operación, evitando el sobrecalentamiento. Las propiedades del material primario del vástago de la válvula se enumeran en la Tabla 1.

(A) Sección transversal general (b) Sección transversal del vástago de la válvula
Figura 1. Diagrama esquemático del modelo de válvula de globo de ultra alta presión

Tabla 1. parámetros del material principal del vástago de la válvula

El medio de trabajo dentro de la válvula de globo es nitrógeno a 1700 K y 200 MPa. Debido a la alta velocidad de flujo de nitrógeno a través de la tubería, la compresibilidad del gas no se puede descuidar, lo que hace que el modelo de gas ideal sea inadecuado. En cambio, la ecuación de estado de Redlich-Kwong (R-K), basada en la ecuación de van der Waals, se emplea para aproximar con precisión el comportamiento de los gases reales. Esta ecuación ofrece una representación precisa del comportamiento del gas en condiciones de alta presión y ultra alta presión. La forma general de la ecuación de Redlich-Kwong (R-K) es:

Dónde:

P-presión de gas (Pa)

V-volumen molar (m³/mol)

T-temperatura (K)

R-constante de gas (J/(mol · K)

A-constante de corrección de la atracción intermolecular (determinada por el coeficiente virial)

B-constante de corrección de volumen (determinada por el coeficiente de virial). De acuerdo con la ecuación de estado R-K, a 1700 Kw K, el nitrógeno tiene una densidad de 277.667 Kw kg/m³, una conductividad térmica de 0.115 Kw/(m · K) y una viscosidad dinámica de 6.586 Kw ×Kw 10 Kw Pa · s.

Para facilitar el cálculo, el modelo se simplificó dividiendo la carrera completa de la válvula de globo, de completamente cerrada a completamente abierta, en quince segmentos iguales, con modelos de dominio de flujo separados establecidos para cada segmento. La fuerza lateral que actua sobre el vastago de la valvula se calculo para el caudal de impacto maximo en cada segmento, y se determino la fuerza maxima global, como se ilustra en la Figura 2. El dominio de flujo se discretizó usando una malla tetraédrica con un tamaño de celda de 10mm, como se representa en la Figura 3 Para el vástago de válvula de dominio sólido, se usó una malla híbrida con un tamaño de celda de 10mm, como se ilustra en la Figura 4.

Figura 2Modelo simplificado de la válvula de globo DN125 con quince puntos igualmente divididos

Figura 3Generación de malla de dominio de flujo

Figura 4Generación de la malla del vástago de la válvula en el dominio sólido

Figura 5Configuración de condición límite para el análisis estático del vástago de la válvula

Figura 6. Fuerza de fluido normal que actúa sobre el vástago de la válvula durante el proceso de apertura

Figura 7. Desplazamiento normal máximo y tensión equivalente máxima del vástago de la válvula durante la apertura

(A) Desvío normal máximo del vástago de la válvula (b) Tensión equivalente máxima del vástago de la válvula

Figura 8. Deformación total y distribución de la tensión equivalente del vástago de la válvula

(A) Deformación total del vástago de válvula (b) Tensión equivalente del vástago de válvula

Este documento investiga el fenómeno de la deformación por soplado del vástago en una válvula de globo causada por el impacto de un fluido a alta temperatura y alta presión. Usando análisis de dominio fluido y sólido, la carrera completa de la válvula se dividió en quince segmentos iguales. Se calculó la variación en la fuerza normal ejercida por el nitrógeno de alta temperatura, alta presión y alta velocidad en el vástago en diferentes aberturas de la válvula, y se analizaron el desplazamiento, la tensión y la deformación resultantes del vástago, lo que llevó a las siguientes conclusiones:

• Durante el funcionamiento normal, la fuerza normal ejercida por el fluido sobre el vástago de la válvula de globo de ultra alta presión fluctúa mientras que generalmente disminuye. La fuerza máxima de 310,16 kN se produce en un desplazamiento de apertura de aproximadamente 20 mm entre la base del vástago y el cuerpo de la válvula, donde el vástago experimenta una deformación máxima de 1,1986mm en la base, lo que puede afectar su durabilidad a largo plazo.
• Cuando la válvula se acerca a la apertura total, la fuerza normal en la entrada invierte la dirección, lo que hace que el vástago se deforme de manera opuesta y, por lo tanto, la vida útil de la fatiga debe considerarse cuidadosamente en el diseño.
• A lo largo del proceso de apertura, el vástago se somete a fuerzas de impacto y tensiones sustanciales, con una concentración de tensión pronunciada en la interfaz vástago-soporte, un área de transferencia de tensión crítica que puede constituir un punto débil estructural. La consideración cuidadosa de la vida útil de esta región es esencial para evitar daños potenciales o desgaste prematuro.