Al corriente feb 28, 2022
Fuerza de la válvula e inspección sísmica
La válvula es un importante dispositivo de control de fluidos en la industria, que involucra a todos los ámbitos de la vida, especialmente petróleo y petroquímica, transporte de líquidos y otras industrias. La aparición de la tecnología de parametrización CAD y la tecnología CAE en el diseño asistido por computadora rompió las desventajas de los métodos de cálculo tradicionales y promovió en gran medida el diseño y la investigación de válvulas. Basado en la breve introducción de la tecnología de parametrización CAD y la tecnología CAE de diseño asistido por computadora, este documento toma como ejemplo las válvulas de energía nuclear y compara y discute los métodos de análisis de estrés e inspección sísmica estática de las válvulas de energía nuclear de acuerdo con sus requisitos especiales como estrés, resistencia y resistencia sísmica.
Situación actual y problemas existentes de válvulas
1. Características y tipos de válvulas
Las válvulas son ampliamente utilizadas y utilizadas en grandes cantidades. En un grupo de dispositivos mecánicos completos a gran escala, la inversión de equipos de válvulas representa del 2% al 6%. Hay muchos tipos de válvulas con grandes funciones, y el rendimiento y la calidad de los equipos de válvulas tienen una influencia importante en el funcionamiento normal de todo el dispositivo de transporte o sistema de condiciones de trabajo. Las válvulas se pueden dividir aproximadamente en tres categorías según sus funciones y usos, como se muestra en la Tabla 1.
Tabla 1 Funciones y usos de las válvulas:
Válvula de corte: la válvula de retención se utiliza para evitar que el fluido transportado regrese al reactor o al contenedor de almacenamiento; Evite la succión causada por una parada o rotación inversa del equipo de bomba, etc.
La función de la válvula de seguridad es que cuando el equipo o la tubería de transmisión alcanza o incluso supera el valor de presión requerido, es necesario que la válvula de seguridad descargue la presión a tiempo para la protección de seguridad.
La función de la válvula reguladora es regular el caudal y la presión del fluido en el dispositivo.
Ejemplos: válvula de compuerta, válvula de circuito cerrado, válvula de aguja, etc.
Válvula de vacío: se utiliza principalmente para controlar la dirección del flujo del medio gaseoso en el sistema del dispositivo, conectar o cortar, controlar el caudal y el caudal, etc.
Ejemplos: válvula de bola de vacío, válvula de charola de vacío, válvula de carga de vacío, etc.
Válvulas de uso especial: válvulas que tienen fines específicos o juegan un papel específico en ocasiones específicas para mejorar la eficiencia y la seguridad. Por ejemplo, las válvulas de energía nuclear solo se pueden usar después de ser verificadas en diferentes condiciones de trabajo para garantizar la seguridad nuclear.
Ejemplos: válvula de purga, válvula de escape, válvula de conexión, válvula de ventilación y filtro.
2. Situación actual y tendencia de desarrollo de válvulas extrañas
Antes de 1950, muchos países extranjeros habían establecido unidades de diseño de válvulas e industrias de producción. Además, se forman algunas asociaciones y organizaciones académicas para llevar a cabo el intercambio técnico de válvulas, el diseño, la investigación y el análisis. Como los institutos de investigación de la antigua Unión Soviética, la alianza industrial de válvulas establecida por los Estados Unidos y Gran Bretaña, y la asociación industrial de válvulas de Japón, etc. Estas organizaciones y departamentos de desarrollo de tecnología se completan principalmente a través de dos modos. Innovación técnica e investigación y desarrollo de válvulas. Uno de ellos es el modelo centralizado, en el que el Instituto Central de Investigación completa la recopilación de especificaciones, el diseño estandarizado y la producción de válvulas, así como la prueba de nuevos productos y nuevos procesos. El otro modo es estudiar y analizar los nuevos productos y mercados de la empresa, a partir de la producción y la demanda reales, y con el objetivo de mejorar el rendimiento, la seguridad, la vida útil, los altos parámetros y las malas condiciones de trabajo.
Además, el departamento de investigación también tiene un centro de pruebas, que puede probar el rendimiento de nuevos productos en cualquier momento y proponer el esquema de mejora de materiales y proceso de fabricación. Todo esto ha promovido el desarrollo de la industria de válvulas.
3. Situación actual y tendencia de desarrollo de las válvulas domésticas
En los últimos años, China ha establecido un sistema de producción y operación relativamente perfecto en el campo de las válvulas, y el análisis de elementos finitos y otros métodos analíticos han mejorado la capacidad de diseño de las válvulas. Sin embargo, debido a las limitaciones de las condiciones de producción, como la tecnología de producción y la tecnología de soldadura, algunas válvulas especiales, como las válvulas de gran diámetro y las válvulas de energía nuclear, todavía tienen problemas de producción y no lograron la producción nacional.
En la actualidad, existe una cierta brecha entre la estructura industrial y la estructura del producto de las válvulas domésticas y las de los países desarrollados. La producción de válvulas en los países desarrollados tiene las ventajas de una tecnología avanzada, varios tipos de válvulas y una alta eficiencia de producción, entre las cuales la más importante es la baja tasa de repetición de los productos producidos por sus empresas. Por el contrario, en China, los equipos de producción y la tecnología de procesamiento más importantes son similares, y la mayoría de las empresas de producción solo tienen la capacidad de producir, procesar o copiar tipos y modelos comunes de válvulas.
Se puede ver que la eficiencia de producción general y el nivel técnico de la industria de válvulas de China todavía están rezagados con respecto a los países desarrollados. Para mejorar la eficiencia de producción general y el nivel técnico de la industria de válvulas, se debe prestar atención a la investigación y el desarrollo de nuevas tecnologías y al diseño de la diversidad de productos, principalmente en la investigación de la teoría básica, el aumento de la inversión de capital, la introducción de tecnología informática avanzada, el perfeccionamiento de las normas de prueba e inspección de válvulas y el enfoque en la investigación de válvulas especiales de alto parámetro y alto rendimiento.
(1) Basado en el trabajo de investigación de la teoría básica de la válvula, resumir la experiencia y los resultados del análisis, y llevar a cabo la innovación teórica y la verificación teórica.
(2) Integre los recursos de la industria nacional de válvulas, use fondos especiales, aumente la inversión de fondos de talento y evite el desperdicio innecesario de fondos.
(3) Concéntrese en la investigación de aplicaciones de tecnología avanzada extranjera y alta tecnología en el diseño de la estructura de la válvula y el cálculo de la resistencia, introduzca software avanzado de cálculo de la estructura y equipos de fabricación, y acelere la producción nacional.
(4) Enfoque en válvulas de aplicación especial con altos parámetros y alto rendimiento.
(5) Mejorar las pruebas de válvulas y los estándares de inspección, hacer estadísticas de datos e informar el análisis de válvulas con las diferentes condiciones de trabajo del sistema, evaluar y mejorar materiales y procesos, y mejorar el rendimiento y la calidad.
Diseño asistido por computadora Tecnología de parametrización CAD y tecnología CAE
1. Tecnología de parametrización CAD
El método tradicional de modelado geométrico necesita determinar la relación geométrica del modelo en las primeras etapas de diseño, y solo puede rediseñarse si necesita ser modificado en la operación posterior. La tasa de tolerancia a fallas es muy baja, lo que obviamente aumenta la carga de trabajo. Sin embargo, cuando se usa tecnología paramétrica para tratar con modelos de productos 3D con estructuras similares o idénticas, el tamaño de los gráficos de diseño, su cooperación y tolerancia se pueden cambiar modificando los parámetros, de modo que los productos diseñados se puedan generar automáticamente nuevamente, lo que mejora significativamente la eficiencia del diseño. La tecnología parametrizada se puede dividir en las etapas de iluminación, creación, desarrollo y aplicación de la tecnología (Tabla 2).
Tabla 2 Proceso de desarrollo de la tecnología parametrizada:
Etapa de iluminación tecnológica: Sutherland propuso el concepto y el punto de vista del sistema paramétrico de 1960 a 1970.
Etapa de creación técnica: De 1970 a 1980, Hilliard propuso un nuevo punto de vista: la coordinación de dimensiones y tolerancias se considera una restricción de las características.
Etapa de desarrollo técnico: tecnología de modelado basada en características de 1980 a 1990: aplicación de métodos de inteligencia artificial como el razonamiento geométrico y la cuadrícula al diseño paramétrico.
Medidor y modelado de sólidos
Etapa de aplicación técnica: desde 1990 hasta el presente, Lee Jae Yeol, Xiao-Shanga presentaron el método de razonamiento geométrico y el método de propagación de restricciones.
2. Tecnología CAE
El concepto CAE de ingeniería asistida por computadora se propuso en 1943. Comenzó a usarse y calcularse en la década de 1970, y poco a poco se comercializó en la década de 1980. CAE utiliza principalmente la función informática cada vez más poderosa de las computadoras para analizar y resolver el modelo geométrico u optimizar el modelo y su rendimiento. Se puede utilizar para análisis estructural estático y análisis dinámico, estudiando problemas lineales y no lineales, y analizando estructura (sólida), fluido, electromagnetismo, etc. En los últimos 30 años, el método de análisis de elementos finitos ha reemplazado la fórmula provista por teorías básicas tradicionales como la mecánica de materiales, la mecánica teórica y la elasticidad para calcular. Para resolver problemas complejos de análisis y cálculo de ingeniería, el software principal es ANSYS, NASTRAN, ABAQUS y ADINA, etc.
3. La influencia de la tecnología paramétrica y la tecnología CAE en la industria doméstica de válvulas
La industria doméstica de válvulas ha aplicado tecnología de parametrización y tecnología CAE al cálculo y análisis de piezas y equipos y sus productos (Tabla 3), y existen algunos dispositivos de sistema relativamente perfectos para parametrización de diseño de válvulas y CAE, pero estos sistemas también tienen algunas carencias. Por ejemplo, algunos sistemas solo pueden realizar un dibujo paramétrico simple, que no es adecuado para un uso extensivo y promoción a gran escala. También hay algunos sistemas de diseño paramétrico de válvulas. Aunque reflejan el diseño de válvulas individuales, no pueden completar el diseño de productos serializados. También hay algunos sistemas, aunque los módulos del sistema son relativamente maduros, carecen de montaje paramétrico y no pueden comprobar automáticamente las válvulas diseñadas en busca de interferencias.
Tabla 3 Aplicación de tecnología parametrizada y tecnología CAE en la industria doméstica de válvulas:
Válvulas de compuerta de la serie 150 LB, 300LB:
Ventajas: El sistema de diseño paramétrico VCADS es simple, eficiente, conveniente y rápido.
Deficiencias: El ámbito de aplicación es pequeño y no es universal.
Calcular y analizar las piezas individuales y todo el conjunto de equipos;
Ventajas: El sistema de diseño incluye diseño paramétrico de productos, control de estrés, análisis de resistencia, generación de documentos técnicos y otras funciones.
Deficiencias: falta de módulo de montaje paramétrico y no consideración de CAE para la verificación.
Principalmente válvulas de bola y válvulas de mariposa:
Ventajas: se realizan dibujos paramétricos y análisis CAE.
Deficiencias: El dibujo paramétrico no es perfecto y no se considera el ensamblaje paramétrico.
Lo anterior solo está dirigido a los problemas comunes que existen en la parametrización del diseño de válvulas domésticas y la tecnología CAE, y para algunas válvulas con requisitos especiales, debido a las condiciones de funcionamiento más complicadas y los requisitos más altos para el estrés y la resistencia de las válvulas, cómo aplicar la parametrización del diseño de válvulas y la tecnología CAE a válvulas especiales, como válvulas de energía nuclear y válvulas de vapor de gran calibre, etc., para reducir la dependencia de las válvulas importadas y realizar la innovación independiente doméstica y la localización es lo más importante.
Método de Análisis Mecánico e Inspección Sísmica de las Válvulas de Energía Nuclear
1. Análisis de fuerza de la válvula de energía nuclear
En la actualidad, el diseño de válvulas nucleares domésticas se basa principalmente en ASME estadounidense, RCC-M francés y otras regulaciones. La norma especifica los requisitos y criterios de calificación para válvulas de grado nuclear I, válvulas de grado nuclear II y III. Muchas condiciones de carga, como presión interna, peso muerto, fuerza de reacción de tubería, carga sísmica, efecto de temperatura, etc., se consideran por separado y, de acuerdo con diferentes combinaciones de las cargas anteriores, se dividen en cinco condiciones de trabajo, como condiciones de trabajo de referencia de diseño, condiciones de trabajo de operación, condiciones de trabajo de emergencia, condiciones de trabajo de accidente y prueba de presión de agua, como se muestra en la Tabla 4. Las condiciones de trabajo de la válvula en una planta de energía nuclear son complejas y la carga que se ingresará en cada condición de trabajo es diferente, y el estándar de calificación debe ajustarse en consecuencia. Esto requiere que la tensión de la película, la tensión de flexión, la tensión primaria, la tensión secundaria, la tensión máxima, la tensión térmica y la tensión total de las piezas que soportan presión de la válvula se calculen por separado para cada condición de trabajo, lo cual es difícil.
Tabla 4 Carga ambiental correspondiente a cada condición de trabajo y base de discriminación:
Condiciones normales de diseño:
Carga: presión de diseño, temperatura de diseño y carga mecánica.
Estándar elegible: prevenir: deformación excesiva, inestabilidad plástica, inestabilidad elástica y elástico-plástica.
Clase: ASME: Clase A RCC-M: Clase O
Condiciones de trabajo anormales:
Carga: presión transitoria, carga térmica, carga de boquillas, etc.
Estándar calificado: prevención: deformación progresiva y fatiga.
Correspondencia: ASME: Clase B, RCC-M: Clase B.
Condiciones de trabajo peligrosas (urgentes):
Carga: presión transitoria, carga térmica, carga de boquillas, etc.
Estándar calificado: evita la deformación excesiva, la inestabilidad plástica, la inestabilidad elástica y elastoplástica, pero el margen de seguridad es pequeño.
Correspondencia: ASME: Clase C, RCC-M: Clase C.
Condición del accidente:
Carga: presión transitoria, carga térmica, carga de boquilla (incluida LOCA), SSE
Estándar de elegibilidad: prevenir: inestabilidad elástica y elástico-plástica (equivalente a la pérdida de integridad del límite de presión), pero no descartar una deformación excesiva.
Correspondencia: ASME: Clase D, RCC-M: Clase D
Condiciones de prueba:
Carga: presión de prueba
Estándar elegible: prevenir: deformación excesiva, inestabilidad plástica, inestabilidad elástica y elástico-plástica.
Clase: ASME: Prueba, RCC-M: Prueba
Además de las condiciones de trabajo complejas, existen diferentes métodos para calcular la resistencia de las válvulas nucleares en la actualidad, los principales métodos son el análisis de elementos finitos asistido por computadora (CAE) del código ASME en los Estados Unidos y el código RCC-M en Francia. Existen algunas diferencias entre el Código ASME y el Código RCC-M en las fórmulas de cálculo correspondientes para diferentes niveles de seguridad nuclear. En la actualidad, no existe una especificación completa aplicable a la situación real de la ingeniería de válvulas de potencia nuclear en China. Esta sección descubrirá sus características y diferencias comparando varios métodos.
Diferente. Es más o menos lo mismo que la parte del código ASME RCC-M sobre el método de cálculo de la resistencia de la válvula nuclear de primera clase, pero también es diferente de toda la idea de cálculo. Por ejemplo, los criterios para definir válvulas grandes y válvulas pequeñas son diferentes. En ASME, el tamaño del diámetro nominal se utiliza como criterio, mientras que en RCC-M, el tamaño del diámetro interior de las válvulas se utiliza como criterio. Esto significa que en el proceso de cálculo de la resistencia de las válvulas, algunos datos de cálculo y condiciones de juicio son diferentes. Hay muchas regulaciones similares, y podemos comparar y analizar los métodos de cálculo de resistencia de la válvula de primera clase en los dos códigos en torno a la determinación del espesor mínimo de pared y la evaluación de tensiones.
(1) Método de determinación del espesor mínimo de la pared
El método para determinar el espesor mínimo de pared de las válvulas nucleares de primera clase en el código ASME RCC-M es el mismo, pero los datos referenciados son diferentes, como se muestra en la Tabla 5.
Tabla 5 Disposiciones de espesor mínimo de pared en ASME y RCC-M:
Clase de presión de la válvula:
ASME: Válvulas de clase estándar, válvulas de clase especial y válvulas de clase limitada, con datos diferentes respectivamente.
RCC-M: No hay clasificación de la clase de presión de la válvula.
Material de la válvula:
ASME: se especifican diferentes materiales de válvulas según la clase de presión.
RCC-M: Solo hay una tabla que corresponde al mismo material al determinar el grado de presión de la válvula.
Valor mínimo de espesor de pared:
ASME: A la misma presión, los valores mínimos son similares pero diferentes.
Valor de error de espesor de pared:
ASME: con tabla de parámetros dimensionales
RCC-M: Se obtiene por el método de interpolación lineal.
En los códigos ASME y RCC-M, aunque los valores mínimos de espesor de pared son similares a la misma presión, existen grandes diferencias en la clase de presión, materiales de válvula, valores de error de espesor de pared, etc. al determinar el espesor mínimo de pared, lo que significa que habrá diferencias en el proceso de cálculo de resistencia. Los códigos ASME son más detallados al confirmar los valores mínimos de espesor de pared. El método para determinar el espesor mínimo de pared de las válvulas secundarias nucleares en el código ASME RCC-M es aproximadamente el mismo. El grado de presión especificado en el código RCC-M para el espesor mínimo de pared del cuerpo de la válvula se lista con siete valores como el código ASME. Sin embargo, el error del espesor mínimo de pared obtenido por el método de interpolación lineal es relativamente grande porque no se da el proceso de cálculo detallado.
(2) Método de evaluación del estrés
En primer lugar, se analizan las similitudes y diferencias entre los códigos ASME y RCC-M sobre los métodos de evaluación de tensiones de válvulas nucleares de grado I.
1. Todos los códigos estipulan que la suma de la tensión de la película y la tensión de flexión deben evaluarse una vez, pero el código ASME no especifica esta parte en detalle.
2. En el código RCC-M, la tensión primaria y la tensión secundaria de las válvulas nucleares de primera clase se dividen según diferentes situaciones, pero no hay subdivisión en el código ASME, y las fórmulas de cálculo del valor máximo de la tensión primaria más secundaria son diferentes.
3. La carga cíclica también debe considerarse en el Código ASME como parte del análisis de fatiga. Su método de tratamiento es aproximadamente el mismo que el del Código RCC-M, excepto en las condiciones de arranque y parada del sistema, y su forma de cálculo es la misma, pero el coeficiente antes de los parámetros es desproporcionado.
En segundo lugar, las similitudes y diferencias de los métodos de evaluación de estrés para válvulas secundarias nucleares en los códigos ASME y RCC-M se muestran en la Tabla 6.
Tabla 6 Comparación de los valores de evaluación de las válvulas secundarias nucleares:
Utilice la clase de carga a:
P: Límite de estrés ASME: 1. 0 N
Límite de estrés RCC-m: 1. 0 n
W + M: límite de estrés ASME: 1. 5n
Límite de estrés RCC-m: 1. 5 N
Utilice la clase de carga b:
P: Límite de estrés ASME: 1,1N
Límite de estrés RCC-m: 1,1n
W + M: límite de estrés ASME: 1,65N
Límite de estrés RCC-m: 1,65 N
Carga de servicio clase c:
P: Límite de estrés ASME: 1,5N
Límite de estrés RCC-m: 1,5n
W + M: límite de estrés ASME: 1,8N
Límite de estrés RCC-m: 2,25 N
Carga de servicio clase d:
P: Límite de estrés ASME: 2,0N
Límite de estrés RCC-m: 2,0n
W + M: límite de estrés ASME: 2,4N
Límite de estrés RCC-m: 3,0n
Nota: Q es el estrés primario general de la película; W es el estrés primario de la película; M es el estrés de flexión.
Fuerza; N es la tensión permitida del material
De la Tabla 6, se puede ver que en los códigos ASME y RCC-M, los límites de estrés correspondientes para la evaluación de estrés de las válvulas de Clase A y Clase B son los mismos, pero los límites de estrés para las de Clase C y Clase D son diferentes, y la diferencia es bastante grande.
En vista de la verificación de resistencia de las válvulas secundarias nucleares, si la evaluación de la tensión es complicada en circunstancias especiales, entonces el código ASME también puede usar presión para evaluar si está calificado, es decir, los requisitos en el código ASME son flexibles, pero no hay una alternativa correspondiente en el código RCC-M.
En general, el código RCC-M tiene requisitos más estrictos para la evaluación de la tensión de las válvulas nucleares, mientras que el código ASME tiene requisitos más conservadores.
2. Inspección sísmica estática de válvulas de energía nuclear
(1) método de inspección
El método estático y el método de prueba dinámico se utilizan principalmente en la prueba sísmica de válvulas de energía nuclear. En la duración de 20 ~ 30 s, la excitación de entrada sintetizada por diferentes aceleraciones en un amplio rango de frecuencia de 0 ~ 33 Hz es de entrada para reemplazar el terremoto para la inspección sísmica. La excitación tiene una duración de 20 ~ 30 s. Debido a que la fuerza de esta excitación tiene características dinámicas, el método estático no puede mostrar completamente este proceso dinámico, que es la limitación del método estático. Sin embargo, debido a una gran cantidad de válvulas de energía nuclear, muchas posiciones y diferentes alturas, es difícil ingresar carga sísmica. Si se puede determinar que la frecuencia fundamental del equipo es superior a 33 Hz, se puede utilizar el método estático para la prueba sísmica, lo que sin duda ahorra mucho tiempo y mejora la eficiencia. Por lo tanto, determinar la frecuencia fundamental del equipo se convierte en un tema importante.
En la actualidad, existen principalmente métodos de cálculo y métodos de prueba para determinar la frecuencia fundamental del equipo. El método de cálculo utiliza principalmente la poderosa capacidad de procesamiento y operación de la computadora, utiliza el método de análisis de elementos finitos para verificar la resistencia sísmica de la válvula y utiliza el programa para llevar a cabo análisis modales para determinar la frecuencia fundamental.
(2) Método de prueba
Método de golpeteo. El método de golpeteo es tocar las partes típicas, como el mecanismo de extensión, con un pequeño martillo como entrada, y tomar sus características de respuesta de frecuencia. Pero también tiene sus desventajas. Cuando las frecuencias naturales son densas, este método no es fácil de medir con precisión.
Método de barrido de frecuencia. El método de barrido de frecuencia es usar onda de barrido sinusoidal para ingresar de la tabla de acuerdo con 1 → 50 → 1 Hz a lo largo de con las tres direcciones ortogonales de la válvula, y la aceleración máxima de entrada es menor o igual a 0,2 g y el sensor de aceleración está dispuesto en las partes típicas de la válvula para la medición. Si el valor de aceleración de respuesta de salida es igual o mayor que 3 veces o más del valor de aceleración de entrada, se demuestra que la frecuencia en este momento es la frecuencia natural. Si el valor de aceleración de respuesta de salida no supera el 5% de la aceleración de entrada, se puede considerar que la válvula no tiene frecuencia natural en este dominio de frecuencia.
Método de ruido blanco. El método de ruido blanco se utiliza para reemplazar la entrada de barrido sinusoidal del método de barrido, y la amplitud de entrada es constante y la duración se prolonga. Después de que los resultados experimentales se miden por la captación sísmica, el dominio de frecuencia se obtiene por la transformada de Fourier, y luego se identifica la frecuencia natural. Generalmente, para válvulas con DN> 200 mm, la mayoría de ellas se pueden calcular por método estático, pero para válvulas, con DN ≤ 100 mm, no se debe adoptar el método estático, pero se debe adoptar el método de prueba dinámico. Por un lado, es la necesidad de sus propias características dinámicas; por otro lado, no es difícil realizar pruebas dinámicas con la mesa temblorosa, que puede cumplir con las condiciones de instalación y carga del banco de pruebas, es decir, no supera los límites de instalación y carga del banco de pruebas.
Perspectiva
(1) Acelere aún más la aplicación y comprensión de la tecnología paramétrica CAD y la tecnología CAE para el diseño de válvulas, acelere la mejora del sistema paramétrico y la tecnología de ensamblaje paramétrico, y mejore la capacidad de diseño de válvulas.
(2) El método de cálculo de la resistencia de las válvulas de grado nuclear se puede llevar a cabo de acuerdo con el marco general del código RCC-M y el código ASME, y los detalles y problemas específicos deben abordarse con de acuerdo con su experiencia en ingeniería y necesidades reales. Al mismo tiempo, los materiales utilizados, el proceso de soldadura y forja, el rango de control de errores, el margen de corrosión, etc., son diferentes, que deben completarse a través de muchas pruebas e investigaciones.
(3) Para el análisis sísmico de válvulas, se debe considerar la aproximación del modelo de cálculo y el error en la prueba, y se debe utilizar tanto el método de medición de prueba como el método de cálculo para el cálculo, y los resultados deben compararse y analizarse para encontrar las similitudes y errores, a fin de proporcionar ideas para mejores esquemas de diseño.
Situación actual y problemas existentes de válvulas
1. Características y tipos de válvulas
Las válvulas son ampliamente utilizadas y utilizadas en grandes cantidades. En un grupo de dispositivos mecánicos completos a gran escala, la inversión de equipos de válvulas representa del 2% al 6%. Hay muchos tipos de válvulas con grandes funciones, y el rendimiento y la calidad de los equipos de válvulas tienen una influencia importante en el funcionamiento normal de todo el dispositivo de transporte o sistema de condiciones de trabajo. Las válvulas se pueden dividir aproximadamente en tres categorías según sus funciones y usos, como se muestra en la Tabla 1.
Tabla 1 Funciones y usos de las válvulas:
Válvula de corte: la válvula de retención se utiliza para evitar que el fluido transportado regrese al reactor o al contenedor de almacenamiento; Evite la succión causada por una parada o rotación inversa del equipo de bomba, etc.
La función de la válvula de seguridad es que cuando el equipo o la tubería de transmisión alcanza o incluso supera el valor de presión requerido, es necesario que la válvula de seguridad descargue la presión a tiempo para la protección de seguridad.
La función de la válvula reguladora es regular el caudal y la presión del fluido en el dispositivo.
Ejemplos: válvula de compuerta, válvula de circuito cerrado, válvula de aguja, etc.
Válvula de vacío: se utiliza principalmente para controlar la dirección del flujo del medio gaseoso en el sistema del dispositivo, conectar o cortar, controlar el caudal y el caudal, etc.
Ejemplos: válvula de bola de vacío, válvula de charola de vacío, válvula de carga de vacío, etc.
Válvulas de uso especial: válvulas que tienen fines específicos o juegan un papel específico en ocasiones específicas para mejorar la eficiencia y la seguridad. Por ejemplo, las válvulas de energía nuclear solo se pueden usar después de ser verificadas en diferentes condiciones de trabajo para garantizar la seguridad nuclear.
Ejemplos: válvula de purga, válvula de escape, válvula de conexión, válvula de ventilación y filtro.
2. Situación actual y tendencia de desarrollo de válvulas extrañas
Antes de 1950, muchos países extranjeros habían establecido unidades de diseño de válvulas e industrias de producción. Además, se forman algunas asociaciones y organizaciones académicas para llevar a cabo el intercambio técnico de válvulas, el diseño, la investigación y el análisis. Como los institutos de investigación de la antigua Unión Soviética, la alianza industrial de válvulas establecida por los Estados Unidos y Gran Bretaña, y la asociación industrial de válvulas de Japón, etc. Estas organizaciones y departamentos de desarrollo de tecnología se completan principalmente a través de dos modos. Innovación técnica e investigación y desarrollo de válvulas. Uno de ellos es el modelo centralizado, en el que el Instituto Central de Investigación completa la recopilación de especificaciones, el diseño estandarizado y la producción de válvulas, así como la prueba de nuevos productos y nuevos procesos. El otro modo es estudiar y analizar los nuevos productos y mercados de la empresa, a partir de la producción y la demanda reales, y con el objetivo de mejorar el rendimiento, la seguridad, la vida útil, los altos parámetros y las malas condiciones de trabajo.
Además, el departamento de investigación también tiene un centro de pruebas, que puede probar el rendimiento de nuevos productos en cualquier momento y proponer el esquema de mejora de materiales y proceso de fabricación. Todo esto ha promovido el desarrollo de la industria de válvulas.
3. Situación actual y tendencia de desarrollo de las válvulas domésticas
En los últimos años, China ha establecido un sistema de producción y operación relativamente perfecto en el campo de las válvulas, y el análisis de elementos finitos y otros métodos analíticos han mejorado la capacidad de diseño de las válvulas. Sin embargo, debido a las limitaciones de las condiciones de producción, como la tecnología de producción y la tecnología de soldadura, algunas válvulas especiales, como las válvulas de gran diámetro y las válvulas de energía nuclear, todavía tienen problemas de producción y no lograron la producción nacional.
En la actualidad, existe una cierta brecha entre la estructura industrial y la estructura del producto de las válvulas domésticas y las de los países desarrollados. La producción de válvulas en los países desarrollados tiene las ventajas de una tecnología avanzada, varios tipos de válvulas y una alta eficiencia de producción, entre las cuales la más importante es la baja tasa de repetición de los productos producidos por sus empresas. Por el contrario, en China, los equipos de producción y la tecnología de procesamiento más importantes son similares, y la mayoría de las empresas de producción solo tienen la capacidad de producir, procesar o copiar tipos y modelos comunes de válvulas.
Se puede ver que la eficiencia de producción general y el nivel técnico de la industria de válvulas de China todavía están rezagados con respecto a los países desarrollados. Para mejorar la eficiencia de producción general y el nivel técnico de la industria de válvulas, se debe prestar atención a la investigación y el desarrollo de nuevas tecnologías y al diseño de la diversidad de productos, principalmente en la investigación de la teoría básica, el aumento de la inversión de capital, la introducción de tecnología informática avanzada, el perfeccionamiento de las normas de prueba e inspección de válvulas y el enfoque en la investigación de válvulas especiales de alto parámetro y alto rendimiento.
(1) Basado en el trabajo de investigación de la teoría básica de la válvula, resumir la experiencia y los resultados del análisis, y llevar a cabo la innovación teórica y la verificación teórica.
(2) Integre los recursos de la industria nacional de válvulas, use fondos especiales, aumente la inversión de fondos de talento y evite el desperdicio innecesario de fondos.
(3) Concéntrese en la investigación de aplicaciones de tecnología avanzada extranjera y alta tecnología en el diseño de la estructura de la válvula y el cálculo de la resistencia, introduzca software avanzado de cálculo de la estructura y equipos de fabricación, y acelere la producción nacional.
(4) Enfoque en válvulas de aplicación especial con altos parámetros y alto rendimiento.
(5) Mejorar las pruebas de válvulas y los estándares de inspección, hacer estadísticas de datos e informar el análisis de válvulas con las diferentes condiciones de trabajo del sistema, evaluar y mejorar materiales y procesos, y mejorar el rendimiento y la calidad.
Diseño asistido por computadora Tecnología de parametrización CAD y tecnología CAE
1. Tecnología de parametrización CAD
El método tradicional de modelado geométrico necesita determinar la relación geométrica del modelo en las primeras etapas de diseño, y solo puede rediseñarse si necesita ser modificado en la operación posterior. La tasa de tolerancia a fallas es muy baja, lo que obviamente aumenta la carga de trabajo. Sin embargo, cuando se usa tecnología paramétrica para tratar con modelos de productos 3D con estructuras similares o idénticas, el tamaño de los gráficos de diseño, su cooperación y tolerancia se pueden cambiar modificando los parámetros, de modo que los productos diseñados se puedan generar automáticamente nuevamente, lo que mejora significativamente la eficiencia del diseño. La tecnología parametrizada se puede dividir en las etapas de iluminación, creación, desarrollo y aplicación de la tecnología (Tabla 2).
Tabla 2 Proceso de desarrollo de la tecnología parametrizada:
Etapa de iluminación tecnológica: Sutherland propuso el concepto y el punto de vista del sistema paramétrico de 1960 a 1970.
Etapa de creación técnica: De 1970 a 1980, Hilliard propuso un nuevo punto de vista: la coordinación de dimensiones y tolerancias se considera una restricción de las características.
Etapa de desarrollo técnico: tecnología de modelado basada en características de 1980 a 1990: aplicación de métodos de inteligencia artificial como el razonamiento geométrico y la cuadrícula al diseño paramétrico.
Medidor y modelado de sólidos
Etapa de aplicación técnica: desde 1990 hasta el presente, Lee Jae Yeol, Xiao-Shanga presentaron el método de razonamiento geométrico y el método de propagación de restricciones.
2. Tecnología CAE
El concepto CAE de ingeniería asistida por computadora se propuso en 1943. Comenzó a usarse y calcularse en la década de 1970, y poco a poco se comercializó en la década de 1980. CAE utiliza principalmente la función informática cada vez más poderosa de las computadoras para analizar y resolver el modelo geométrico u optimizar el modelo y su rendimiento. Se puede utilizar para análisis estructural estático y análisis dinámico, estudiando problemas lineales y no lineales, y analizando estructura (sólida), fluido, electromagnetismo, etc. En los últimos 30 años, el método de análisis de elementos finitos ha reemplazado la fórmula provista por teorías básicas tradicionales como la mecánica de materiales, la mecánica teórica y la elasticidad para calcular. Para resolver problemas complejos de análisis y cálculo de ingeniería, el software principal es ANSYS, NASTRAN, ABAQUS y ADINA, etc.
3. La influencia de la tecnología paramétrica y la tecnología CAE en la industria doméstica de válvulas
La industria doméstica de válvulas ha aplicado tecnología de parametrización y tecnología CAE al cálculo y análisis de piezas y equipos y sus productos (Tabla 3), y existen algunos dispositivos de sistema relativamente perfectos para parametrización de diseño de válvulas y CAE, pero estos sistemas también tienen algunas carencias. Por ejemplo, algunos sistemas solo pueden realizar un dibujo paramétrico simple, que no es adecuado para un uso extensivo y promoción a gran escala. También hay algunos sistemas de diseño paramétrico de válvulas. Aunque reflejan el diseño de válvulas individuales, no pueden completar el diseño de productos serializados. También hay algunos sistemas, aunque los módulos del sistema son relativamente maduros, carecen de montaje paramétrico y no pueden comprobar automáticamente las válvulas diseñadas en busca de interferencias.
Tabla 3 Aplicación de tecnología parametrizada y tecnología CAE en la industria doméstica de válvulas:
Válvulas de compuerta de la serie 150 LB, 300LB:
Ventajas: El sistema de diseño paramétrico VCADS es simple, eficiente, conveniente y rápido.
Deficiencias: El ámbito de aplicación es pequeño y no es universal.
Calcular y analizar las piezas individuales y todo el conjunto de equipos;
Ventajas: El sistema de diseño incluye diseño paramétrico de productos, control de estrés, análisis de resistencia, generación de documentos técnicos y otras funciones.
Deficiencias: falta de módulo de montaje paramétrico y no consideración de CAE para la verificación.
Principalmente válvulas de bola y válvulas de mariposa:
Ventajas: se realizan dibujos paramétricos y análisis CAE.
Deficiencias: El dibujo paramétrico no es perfecto y no se considera el ensamblaje paramétrico.
Lo anterior solo está dirigido a los problemas comunes que existen en la parametrización del diseño de válvulas domésticas y la tecnología CAE, y para algunas válvulas con requisitos especiales, debido a las condiciones de funcionamiento más complicadas y los requisitos más altos para el estrés y la resistencia de las válvulas, cómo aplicar la parametrización del diseño de válvulas y la tecnología CAE a válvulas especiales, como válvulas de energía nuclear y válvulas de vapor de gran calibre, etc., para reducir la dependencia de las válvulas importadas y realizar la innovación independiente doméstica y la localización es lo más importante.
Método de Análisis Mecánico e Inspección Sísmica de las Válvulas de Energía Nuclear
1. Análisis de fuerza de la válvula de energía nuclear
En la actualidad, el diseño de válvulas nucleares domésticas se basa principalmente en ASME estadounidense, RCC-M francés y otras regulaciones. La norma especifica los requisitos y criterios de calificación para válvulas de grado nuclear I, válvulas de grado nuclear II y III. Muchas condiciones de carga, como presión interna, peso muerto, fuerza de reacción de tubería, carga sísmica, efecto de temperatura, etc., se consideran por separado y, de acuerdo con diferentes combinaciones de las cargas anteriores, se dividen en cinco condiciones de trabajo, como condiciones de trabajo de referencia de diseño, condiciones de trabajo de operación, condiciones de trabajo de emergencia, condiciones de trabajo de accidente y prueba de presión de agua, como se muestra en la Tabla 4. Las condiciones de trabajo de la válvula en una planta de energía nuclear son complejas y la carga que se ingresará en cada condición de trabajo es diferente, y el estándar de calificación debe ajustarse en consecuencia. Esto requiere que la tensión de la película, la tensión de flexión, la tensión primaria, la tensión secundaria, la tensión máxima, la tensión térmica y la tensión total de las piezas que soportan presión de la válvula se calculen por separado para cada condición de trabajo, lo cual es difícil.
Tabla 4 Carga ambiental correspondiente a cada condición de trabajo y base de discriminación:
Condiciones normales de diseño:
Carga: presión de diseño, temperatura de diseño y carga mecánica.
Estándar elegible: prevenir: deformación excesiva, inestabilidad plástica, inestabilidad elástica y elástico-plástica.
Clase: ASME: Clase A RCC-M: Clase O
Condiciones de trabajo anormales:
Carga: presión transitoria, carga térmica, carga de boquillas, etc.
Estándar calificado: prevención: deformación progresiva y fatiga.
Correspondencia: ASME: Clase B, RCC-M: Clase B.
Condiciones de trabajo peligrosas (urgentes):
Carga: presión transitoria, carga térmica, carga de boquillas, etc.
Estándar calificado: evita la deformación excesiva, la inestabilidad plástica, la inestabilidad elástica y elastoplástica, pero el margen de seguridad es pequeño.
Correspondencia: ASME: Clase C, RCC-M: Clase C.
Condición del accidente:
Carga: presión transitoria, carga térmica, carga de boquilla (incluida LOCA), SSE
Estándar de elegibilidad: prevenir: inestabilidad elástica y elástico-plástica (equivalente a la pérdida de integridad del límite de presión), pero no descartar una deformación excesiva.
Correspondencia: ASME: Clase D, RCC-M: Clase D
Condiciones de prueba:
Carga: presión de prueba
Estándar elegible: prevenir: deformación excesiva, inestabilidad plástica, inestabilidad elástica y elástico-plástica.
Clase: ASME: Prueba, RCC-M: Prueba
Además de las condiciones de trabajo complejas, existen diferentes métodos para calcular la resistencia de las válvulas nucleares en la actualidad, los principales métodos son el análisis de elementos finitos asistido por computadora (CAE) del código ASME en los Estados Unidos y el código RCC-M en Francia. Existen algunas diferencias entre el Código ASME y el Código RCC-M en las fórmulas de cálculo correspondientes para diferentes niveles de seguridad nuclear. En la actualidad, no existe una especificación completa aplicable a la situación real de la ingeniería de válvulas de potencia nuclear en China. Esta sección descubrirá sus características y diferencias comparando varios métodos.
Diferente. Es más o menos lo mismo que la parte del código ASME RCC-M sobre el método de cálculo de la resistencia de la válvula nuclear de primera clase, pero también es diferente de toda la idea de cálculo. Por ejemplo, los criterios para definir válvulas grandes y válvulas pequeñas son diferentes. En ASME, el tamaño del diámetro nominal se utiliza como criterio, mientras que en RCC-M, el tamaño del diámetro interior de las válvulas se utiliza como criterio. Esto significa que en el proceso de cálculo de la resistencia de las válvulas, algunos datos de cálculo y condiciones de juicio son diferentes. Hay muchas regulaciones similares, y podemos comparar y analizar los métodos de cálculo de resistencia de la válvula de primera clase en los dos códigos en torno a la determinación del espesor mínimo de pared y la evaluación de tensiones.
(1) Método de determinación del espesor mínimo de la pared
El método para determinar el espesor mínimo de pared de las válvulas nucleares de primera clase en el código ASME RCC-M es el mismo, pero los datos referenciados son diferentes, como se muestra en la Tabla 5.
Tabla 5 Disposiciones de espesor mínimo de pared en ASME y RCC-M:
Clase de presión de la válvula:
ASME: Válvulas de clase estándar, válvulas de clase especial y válvulas de clase limitada, con datos diferentes respectivamente.
RCC-M: No hay clasificación de la clase de presión de la válvula.
Material de la válvula:
ASME: se especifican diferentes materiales de válvulas según la clase de presión.
RCC-M: Solo hay una tabla que corresponde al mismo material al determinar el grado de presión de la válvula.
Valor mínimo de espesor de pared:
ASME: A la misma presión, los valores mínimos son similares pero diferentes.
Valor de error de espesor de pared:
ASME: con tabla de parámetros dimensionales
RCC-M: Se obtiene por el método de interpolación lineal.
En los códigos ASME y RCC-M, aunque los valores mínimos de espesor de pared son similares a la misma presión, existen grandes diferencias en la clase de presión, materiales de válvula, valores de error de espesor de pared, etc. al determinar el espesor mínimo de pared, lo que significa que habrá diferencias en el proceso de cálculo de resistencia. Los códigos ASME son más detallados al confirmar los valores mínimos de espesor de pared. El método para determinar el espesor mínimo de pared de las válvulas secundarias nucleares en el código ASME RCC-M es aproximadamente el mismo. El grado de presión especificado en el código RCC-M para el espesor mínimo de pared del cuerpo de la válvula se lista con siete valores como el código ASME. Sin embargo, el error del espesor mínimo de pared obtenido por el método de interpolación lineal es relativamente grande porque no se da el proceso de cálculo detallado.
(2) Método de evaluación del estrés
En primer lugar, se analizan las similitudes y diferencias entre los códigos ASME y RCC-M sobre los métodos de evaluación de tensiones de válvulas nucleares de grado I.
1. Todos los códigos estipulan que la suma de la tensión de la película y la tensión de flexión deben evaluarse una vez, pero el código ASME no especifica esta parte en detalle.
2. En el código RCC-M, la tensión primaria y la tensión secundaria de las válvulas nucleares de primera clase se dividen según diferentes situaciones, pero no hay subdivisión en el código ASME, y las fórmulas de cálculo del valor máximo de la tensión primaria más secundaria son diferentes.
3. La carga cíclica también debe considerarse en el Código ASME como parte del análisis de fatiga. Su método de tratamiento es aproximadamente el mismo que el del Código RCC-M, excepto en las condiciones de arranque y parada del sistema, y su forma de cálculo es la misma, pero el coeficiente antes de los parámetros es desproporcionado.
En segundo lugar, las similitudes y diferencias de los métodos de evaluación de estrés para válvulas secundarias nucleares en los códigos ASME y RCC-M se muestran en la Tabla 6.
Tabla 6 Comparación de los valores de evaluación de las válvulas secundarias nucleares:
Utilice la clase de carga a:
P: Límite de estrés ASME: 1. 0 N
Límite de estrés RCC-m: 1. 0 n
W + M: límite de estrés ASME: 1. 5n
Límite de estrés RCC-m: 1. 5 N
Utilice la clase de carga b:
P: Límite de estrés ASME: 1,1N
Límite de estrés RCC-m: 1,1n
W + M: límite de estrés ASME: 1,65N
Límite de estrés RCC-m: 1,65 N
Carga de servicio clase c:
P: Límite de estrés ASME: 1,5N
Límite de estrés RCC-m: 1,5n
W + M: límite de estrés ASME: 1,8N
Límite de estrés RCC-m: 2,25 N
Carga de servicio clase d:
P: Límite de estrés ASME: 2,0N
Límite de estrés RCC-m: 2,0n
W + M: límite de estrés ASME: 2,4N
Límite de estrés RCC-m: 3,0n
Nota: Q es el estrés primario general de la película; W es el estrés primario de la película; M es el estrés de flexión.
Fuerza; N es la tensión permitida del material
De la Tabla 6, se puede ver que en los códigos ASME y RCC-M, los límites de estrés correspondientes para la evaluación de estrés de las válvulas de Clase A y Clase B son los mismos, pero los límites de estrés para las de Clase C y Clase D son diferentes, y la diferencia es bastante grande.
En vista de la verificación de resistencia de las válvulas secundarias nucleares, si la evaluación de la tensión es complicada en circunstancias especiales, entonces el código ASME también puede usar presión para evaluar si está calificado, es decir, los requisitos en el código ASME son flexibles, pero no hay una alternativa correspondiente en el código RCC-M.
En general, el código RCC-M tiene requisitos más estrictos para la evaluación de la tensión de las válvulas nucleares, mientras que el código ASME tiene requisitos más conservadores.
2. Inspección sísmica estática de válvulas de energía nuclear
(1) método de inspección
El método estático y el método de prueba dinámico se utilizan principalmente en la prueba sísmica de válvulas de energía nuclear. En la duración de 20 ~ 30 s, la excitación de entrada sintetizada por diferentes aceleraciones en un amplio rango de frecuencia de 0 ~ 33 Hz es de entrada para reemplazar el terremoto para la inspección sísmica. La excitación tiene una duración de 20 ~ 30 s. Debido a que la fuerza de esta excitación tiene características dinámicas, el método estático no puede mostrar completamente este proceso dinámico, que es la limitación del método estático. Sin embargo, debido a una gran cantidad de válvulas de energía nuclear, muchas posiciones y diferentes alturas, es difícil ingresar carga sísmica. Si se puede determinar que la frecuencia fundamental del equipo es superior a 33 Hz, se puede utilizar el método estático para la prueba sísmica, lo que sin duda ahorra mucho tiempo y mejora la eficiencia. Por lo tanto, determinar la frecuencia fundamental del equipo se convierte en un tema importante.
En la actualidad, existen principalmente métodos de cálculo y métodos de prueba para determinar la frecuencia fundamental del equipo. El método de cálculo utiliza principalmente la poderosa capacidad de procesamiento y operación de la computadora, utiliza el método de análisis de elementos finitos para verificar la resistencia sísmica de la válvula y utiliza el programa para llevar a cabo análisis modales para determinar la frecuencia fundamental.
(2) Método de prueba
Método de golpeteo. El método de golpeteo es tocar las partes típicas, como el mecanismo de extensión, con un pequeño martillo como entrada, y tomar sus características de respuesta de frecuencia. Pero también tiene sus desventajas. Cuando las frecuencias naturales son densas, este método no es fácil de medir con precisión.
Método de barrido de frecuencia. El método de barrido de frecuencia es usar onda de barrido sinusoidal para ingresar de la tabla de acuerdo con 1 → 50 → 1 Hz a lo largo de con las tres direcciones ortogonales de la válvula, y la aceleración máxima de entrada es menor o igual a 0,2 g y el sensor de aceleración está dispuesto en las partes típicas de la válvula para la medición. Si el valor de aceleración de respuesta de salida es igual o mayor que 3 veces o más del valor de aceleración de entrada, se demuestra que la frecuencia en este momento es la frecuencia natural. Si el valor de aceleración de respuesta de salida no supera el 5% de la aceleración de entrada, se puede considerar que la válvula no tiene frecuencia natural en este dominio de frecuencia.
Método de ruido blanco. El método de ruido blanco se utiliza para reemplazar la entrada de barrido sinusoidal del método de barrido, y la amplitud de entrada es constante y la duración se prolonga. Después de que los resultados experimentales se miden por la captación sísmica, el dominio de frecuencia se obtiene por la transformada de Fourier, y luego se identifica la frecuencia natural. Generalmente, para válvulas con DN> 200 mm, la mayoría de ellas se pueden calcular por método estático, pero para válvulas, con DN ≤ 100 mm, no se debe adoptar el método estático, pero se debe adoptar el método de prueba dinámico. Por un lado, es la necesidad de sus propias características dinámicas; por otro lado, no es difícil realizar pruebas dinámicas con la mesa temblorosa, que puede cumplir con las condiciones de instalación y carga del banco de pruebas, es decir, no supera los límites de instalación y carga del banco de pruebas.
Perspectiva
(1) Acelere aún más la aplicación y comprensión de la tecnología paramétrica CAD y la tecnología CAE para el diseño de válvulas, acelere la mejora del sistema paramétrico y la tecnología de ensamblaje paramétrico, y mejore la capacidad de diseño de válvulas.
(2) El método de cálculo de la resistencia de las válvulas de grado nuclear se puede llevar a cabo de acuerdo con el marco general del código RCC-M y el código ASME, y los detalles y problemas específicos deben abordarse con de acuerdo con su experiencia en ingeniería y necesidades reales. Al mismo tiempo, los materiales utilizados, el proceso de soldadura y forja, el rango de control de errores, el margen de corrosión, etc., son diferentes, que deben completarse a través de muchas pruebas e investigaciones.
(3) Para el análisis sísmico de válvulas, se debe considerar la aproximación del modelo de cálculo y el error en la prueba, y se debe utilizar tanto el método de medición de prueba como el método de cálculo para el cálculo, y los resultados deben compararse y analizarse para encontrar las similitudes y errores, a fin de proporcionar ideas para mejores esquemas de diseño.
News
Noticias de la industria
Volver a la lista
