Análisis cinético y fiabilidad de válvulas de compuerta criogénicas neumáticas con esferas abiertas

El análisis cinético y la demostración de fiabilidad de las partes principales de la válvula de compuerta bajo condiciones de baja temperatura han proporcionado una base teórica para el desarrollo y aplicación de la válvula de compuerta.

1. Análisis Cinético
En el proceso de enfriamiento del sistema, la estructura de la válvula producirá tensión y deformación no coordinadas, lo que puede causar tensión y deformación excesivas y afectar el sellado, apertura y cierre de la válvula. La válvula de compuerta de baja temperatura con esfera abierta tiene un tiempo de apertura y cierre rápido de 2 a 3 segundos en un medio de baja temperatura, y la fuerza de inercia de las piezas móviles generará cargas adicionales. A través del análisis dinámico y la investigación, se obtienen el campo de temperatura transitoria y la tensión transitoria de la válvula para garantizar la confiabilidad del sellado de la carga de temperatura, la carga de presión y la carga adicional y la integridad estructural del límite de presión de la válvula en condiciones de baja temperatura.

Análisis del campo de temperatura transitorio
Abre la válvula. La convección de calor se produce para la pared interna del cuerpo de la válvula y la campana y el nitrógeno líquido (-196 ° C), y la pared exterior de la válvula está aislada. La convección libre de transferencia de calor ocurre entre la pared exterior del capó y el entorno. El proceso de transferencia de calor en la válvula es la transferencia de calor de contacto acoplado de fases líquida y sólida. El software de cálculo del fluido se utiliza para acoplar la distribución del campo de temperatura transitoria de la válvula. El coeficiente de transferencia de calor convectiva de la válvula se muestra en la Tabla 1.

Tabla 1 Coefficientes de transferencia de calor convectiva

 
 
Figura 1 El modelo tridimensional de las válvulas

 
Figura 2 División de rejilla de las válvulas

 
Figura 3 Condiciones límite de temperatura de las válvulas

 
Figura 4 El campo de temperatura superficial transitoria de las válvulas

 
Figura 5 El modelo simplificado


Figura 6 Diagrama de cuadrícula del modelo simplificado

 
Figura 7 Restricción fija y restricción rotacional

2. El análisis de la fiabilidad
La red neuronal BP optimizada por el algoritmo genético se utiliza para establecer la predicción de la tensión máxima de la válvula de compuerta esférica, y el modelo de predicción obtenido se utiliza para calcular el modelo de interferencia de fuerza-tensión; el programa de cálculo de confiabilidad y confiabilidad difusa se compila mediante el uso de Matlab. El método de Monte Carlo se utiliza para muestrear 10.000 veces y obtener resultados de cálculo de confiabilidad.

Análisis de fiabilidad del cuerpo de la válvula
Una restricción fija A se aplica al extremo de entrada del cuerpo de la válvula, y una restricción de desplazamiento C se aplica al extremo de salida. Se aplica una presión de diseño de 5 MPa a los extremos de entrada y salida del cuerpo de la válvula y la pared interna de la cavidad media, y se aplica una fuerza de compresión del perno de 131.889 kN y una fuerza de sellado de la junta de 124.820 kN a la parada de la brida media. Las limitaciones y la carga se muestran en la Figura 13.


Figura 8 Restricciones y cargas aplicadas de válvulas

Resultados de análisis de estrés
Se puede ver a partir de la distribución del campo de tensión de la válvula (Figura 14) que cuando no se consideran los errores de fabricación, la tensión máxima del cuerpo de la válvula es de 160,4 MPa, que es menor que la tensión admisible especificada en la norma.

 
Figura 9 Distribución de tensión de la válvula

Resultados del análisis de la fiabilidad
La Figura 15 muestra la tensión equivalente al muestrear 10.000 muestras. De acuerdo con el modelo matemático obtenido, la fiabilidad de la resistencia del cuerpo de la válvula de compuerta esférica es cercana al 99,99%.


Figura 10 Diagrama de la distribución de tensión equivalente

Análisis de confiabilidad de las placas de válvula
Restricción y cargas de las placas de la válvula: Se aplica una restricción fija E al extremo de entrada de la placa de la válvula, y se aplica una restricción de desplazamiento F al extremo de salida. Se aplica una presión de diseño de 5 MPa a la pared de la parte de contacto de la placa de válvula y el medio, y se aplica una presión de sellado de 11,3 MPa y una fuerza de sellado de 581.780 kN a la superficie de sellado del extremo de salida. Las restricciones y las cargas se muestran en la Figura 16.

 
Figura 11 Restricción y carga de las placas de válvula

Resultados de análisis de estrés
Se puede ver a partir de la distribución del campo de tensión de la placa de la válvula (Figura 17) que la tensión máxima del cuerpo de la válvula es de 68,359MPa sin tener en cuenta el error de fabricación, que es menor que la tensión admisible especificada en la norma.

 
Figura 12 Diagrama de la distribución de tensión de la placa de válvula

Resultados del análisis de fiabilidad
La Figura 18 muestra la tensión equivalente al muestrear 10.000 muestras. De acuerdo con el modelo matemático obtenido, la confiabilidad de la resistencia de la placa de válvula de la válvula de compuerta esférica es cercana al 99,998%.


Figura 13 Distribución de estrés equivalente