【摘要】：閥門金屬密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)目前主要依靠經(jīng)驗(yàn),精確的金屬密封泄漏計(jì)算方法的缺失制約了高溫高壓閥門密封性能的高可靠性。這主要是因?yàn)榻饘倜芊饷鎯?nèi)介質(zhì)的微觀流動(dòng)及介質(zhì)與壁面作用規(guī)律未能精確描述,同時(shí)微觀特征和宏觀性能的關(guān)聯(lián)存在困難。針對(duì)此問題,本文基于有限元和格子玻爾茲曼方法對(duì)金屬密封面內(nèi)介質(zhì)的微觀流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬,建立了金屬密封面泄漏計(jì)算模型,并經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其合理性。基于密度泛函方法對(duì)金屬密封面內(nèi)介質(zhì)與壁面吸附作用開展研究,揭示了安全閥冷熱態(tài)整定壓力偏差成因。以上研究成果在核電主蒸汽安全閥的設(shè)計(jì)和制造中得以實(shí)際應(yīng)用,為核電安全閥密封面寬度確定提供設(shè)計(jì)依據(jù)。本文的主要研究內(nèi)容與創(chuàng)新成果如下:(1)金屬密封面介質(zhì)微觀流動(dòng)規(guī)律原子力顯微鏡實(shí)測和隨機(jī)中點(diǎn)位移粗糙面重構(gòu)方法相結(jié)合,基于有限元方法對(duì)兩粗糙金屬面接觸密封過程進(jìn)行數(shù)值模擬,并編寫冒泡算法識(shí)別泄漏通道。研究發(fā)現(xiàn)粗糙度對(duì)接觸過程中接觸面積隨接觸應(yīng)力增加關(guān)系的影響較小,不同粗糙度的粗糙面接觸具有基本相同的逾滲閾值(0.33)。編寫雙松弛因子格子玻爾茲曼算法程序,對(duì)粗糙面接觸所形成的微通道中的介質(zhì)流動(dòng)進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)當(dāng)流體處于滑移狀態(tài)時(shí),粗糙度占比(=2×密封面輪廓算術(shù)平均偏差(Ra)/輪廓的平均間隙(H))的增加將明顯減低泄漏流量。但當(dāng)介質(zhì)處于過渡狀態(tài)時(shí),ε的增加可能會(huì)增加泄漏流量。建立粗糙面通道泄漏計(jì)算模型。通過有限元數(shù)值模擬研究密封接觸過程流道內(nèi)流線曲折變化規(guī)律,發(fā)現(xiàn)當(dāng)ε2時(shí),密封面內(nèi)的微泄漏通道的水平曲折因子可近似為1,此時(shí)可將金屬密封面泄漏進(jìn)行降維模擬。通過模型計(jì)算的泄漏量與實(shí)驗(yàn)結(jié)果測量值偏差為12%,表明計(jì)算模型具有較高的準(zhǔn)確性。(2)安全閥金屬密封性能分析在粗糙面通道泄漏計(jì)算模型的基礎(chǔ)上,基于安全閥結(jié)構(gòu)特點(diǎn)提出可用于安全閥金屬密封設(shè)計(jì)的泄漏計(jì)算模型。并將該模型在實(shí)際閥門設(shè)計(jì)中進(jìn)行應(yīng)用。結(jié)合安全閥內(nèi)部流場的三維瞬態(tài)模擬方法,研究了介質(zhì)沖刷和閥瓣回座沖擊對(duì)密封面損傷及該損傷對(duì)密封性能的影響規(guī)律。發(fā)現(xiàn)蒸汽安全閥開啟后,由于沖刷造成密封面損傷,其Ra值增加了8.7倍,造成泄漏率增加了約151倍。閥瓣回座沖擊造成密封面外側(cè)塑性變形損傷,導(dǎo)致密封面寬度減小了 5%,但對(duì)閥門密封性能的影響可以忽略。所以提高蒸汽安全閥密封面的耐沖刷性能是保證其密封可靠性的重要措施。(3)安全閥冷熱態(tài)整定壓力偏差致因分析安全閥采用蒸汽和壓縮空氣進(jìn)行整定壓力試驗(yàn)往往會(huì)造成整定壓力的差異,對(duì)此問題的解釋長期以來困擾著安全閥行業(yè)。本文采用密度泛函理論對(duì)密封面內(nèi)的蒸汽和空氣與金屬壁面的作用進(jìn)行了模擬計(jì)算。研究發(fā)現(xiàn)在密封面的納米尺度的楔形狹縫內(nèi),水蒸汽的與壁面作用力要高于壓縮空氣以壁面作用力,造成蒸汽安全閥的整定壓力小于通過壓縮空氣所獲得的整定壓力,計(jì)算結(jié)果得到了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。該吸附作用力會(huì)隨著壁面親水性的增強(qiáng)而提高,進(jìn)而降低安全閥的整定壓力。以上研究成果在CAP1400主蒸汽安全閥、華龍1號(hào)主蒸汽安全閥、巴基斯坦C3C4和K2K3主蒸汽安全閥、CAP1400穩(wěn)壓器安全閥得以應(yīng)用,取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
【圖文】：

圖１．３常見閥門密封結(jié)構(gòu)受力形式逡逑（ａ．應(yīng)彈簧－介質(zhì)平衡型；ｂ．執(zhí)行器－介質(zhì)平衡型；ｃ．介質(zhì)力作用型）逡逑Ｆｉｇ．邋１．３邋Ｓｅａｌｉｎｇ邋ｆｏｒｃｅ邋ａｃｔｉｎｇ邋ｆｏｍｉ邋ｏｆ邋ｖａｌｖｅ，邋（ａ．邋ｓｐｒｉｎｇ邋ｆｏｒｃｅ邋ｂａｌａｎｃｅ邋ｔｙｐｅ．邋ｂ．邋ａｃｔｕａｔｏｒ邋ｆｏｒｃｅ邋ｂａｌａｎｃｅ邋ｔｙｐｅ．邋ｃ．逡逑ｓｌｅｆ－ｂａｌａｎｃｉｎｇ邋ｔｙｐｅ）逡逑執(zhí)行器－介質(zhì)ｆ衡型密封能夠人為對(duì)密封力進(jìn)行控制，在保證密封面寬度的情況下，逡逑使丨丨丨更人的密封推力就能夠獲得史好的密封效果。但對(duì)于彈簧－介質(zhì)平衡型密封結(jié)構(gòu)，受逡逑限ｆ工作原理其密封力基本固定，密封比壓的調(diào)節(jié)只能通過改變密封寬度進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，例逡逑如安全閥。此類密封結(jié)構(gòu)所受密封作用力相對(duì)最小，密封難度也最大。不合理的密封面逡逑寬度設(shè)計(jì)可能導(dǎo)致安全閥無法滿足相應(yīng)的密封要求。密封結(jié)構(gòu)的失效將也卩（接導(dǎo)致整閥逡逑無法達(dá)到設(shè)計(jì)要求。逡逑根據(jù)密封原理，通過增加密封作用力、減�。聿诙鹊姆椒ɡ碚撋夏軌�?qū)崿F(xiàn)更好的密逡逑封。所以為了達(dá)到更好的密封效果，在實(shí)際生產(chǎn)過程中會(huì)盡可能提高密封面的粗糙度。逡逑常見的閥門金屬密封結(jié)構(gòu)多采用精車加研磨的方式，對(duì)密封面進(jìn)行光潔處理。其中車削逡逑過程主要影響密封平面的平面度，而研磨過程最終決定密封面的微觀粗糙度。對(duì)于中、逡逑小口徑密封結(jié)構(gòu)，常規(guī)機(jī)械加工就能夠滿足相丨、ｖ：的、卩：面度耍求，所以研磨過程最終決定逡逑、

也得出了許多有益的結(jié)論。逡逑零。胃逡逑圖１．４閥瓣自動(dòng)研磨機(jī)逡逑Ｆｉｇ．邋１．４邋Ｄｉｓｃ邋ａｕｔｏｍａｔｉｃ邋ｇｒｉｄｉｎｇ邋ｍａｃｈｉｎｅ．逡逑雖然機(jī)械研磨和手工研磨的方法均可獲得ＲａＯ．ｌｐｍ的光潔表面，但粗糙度的降低逡逑帶來加工成本的增加。而如何選擇更加合理的金屬密封面粗糙度尚缺乏相應(yīng)的理論支持。逡逑１．３研究現(xiàn)狀逡逑密封是個(gè)古老的研究方向，已建立了系統(tǒng)的研究理論，提出了很多針對(duì)金屬墊片、逡逑多孔材料的密封泄漏模型。金屬密封面密封性能主要取決于金屬密封面中微泄漏通道形逡逑貌以及介質(zhì)在微通道中的流動(dòng)行為，最新研[偨菇檣莧縵攏哄義希保常澹貝植諉姹碚骷爸毓瑰義廈芊獗礱嫻男蚊蔡卣髦饕苫導(dǎo)庸に緯傻牟ɡ似鴟約壩裳心ス絳緯傻母叩灣義賢蠱鴯鉤傘＝鶚裘芊獾難芯渴紫紉越鶚艚喲ッ嫻奶卣鶻刑崛〔⒔兄毓�，重构方法辶x嫌址治擋庵毓辜疤卣韃問毓沽街幀ｅ義鮮擋庵毓狗椒ㄖ饕捎檬笛椴飭糠椒�，主要包括：探针聰Sǎǎ櫻簦歟酰簀澹校潁錚媯椋歟澹潁澹櫻�，，辶x先繽跡保鄧荊輝恿ο暈⒕搗ǎǎ粒簦錚恚椋沐澹疲錚潁悖邋澹停椋悖潁錚螅悖錚穡�，ＡＦＭ，壤_跡保端荊誨義戲墻喲ス庋講夥ǎǎ危錚睿茫錚睿簦幔悖翦澹希穡簦椋悖幔戾澹校潁錚媯椋歟澹

本文編號(hào)：2701379