CN108776716A - 一种环型组合五金密封件密封性能测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种环型组合五金密封件密封性能测试方法，包括如下步骤：(1)建立蠕变计算模型；(2)对固定寿命的环型组合五金密封件的蠕变强度进行计算；(3)通过计算结果分析环型组合五金密封件的高温密封性能，蠕变强度增强的位置高温密封性能变差，步骤(1)包括：(1‑1)建立环型组合五金密封件的有限元模型；(1‑2)建立高温蠕变本构方程模型；(1‑3)建立基于孔洞长大理论的多轴蠕变模型。采用蠕变强度和蠕变寿命计算评估进行密封性测试的方法，从而反应材料孔洞长大微观实效机制，并考虑复杂高温下环型组合五金密封件的多轴效应。

Description

一种环型组合五金密封件密封性能测试方法

技术领域

本发明涉及密封测试领域，特别是涉及环型组合五金密封件密封性能测试 方法。

背景技术

环型组合五金密封件因为其优越的密封性能被广泛应用在汽轮机等重要机 械设备的阀门中。随着运行参数(温度、压力)不断提升，环型组合五金密封 件承受的蠕变越发严重从而影响其密封性能。现有技术都是通过对环型组合五 金密封件进行实况测试或者一些模拟研究，如通过有限元软件ABAQUS对超超 临界汽轮机高压进汽连接部件多种密封结构进行蠕变强度和密封性能的对比分 析，根据蠕变计算结果对密封进行优化改进，提高了密封效果和运行可靠性。 另外对联接管法兰密封组件进行了有限元分析，考虑了螺栓预紧和法兰面对密 封垫的接触作用，获得了典型工况下的应力和变形分析规律。法兰密封失效是 核电压力容器最基本的失效形式之一，对法兰密封系统进行弹塑性接触分析和 瞬态传热耦合计算。高温螺栓-法兰-密封系统紧密性评价认为高温蠕变松弛对密 封变形和老化有重要影响。对于高温下的工程构件，由于受到热-机械载荷的共 同作用，在加上结构形状的差异，热膨胀受到约束或是温度梯度等因素的影响， 多处于复杂应力状态即多轴性状态，环型组合五金密封件也不例外，通常，材 料的力学性能数据是在实验室里单一环境、单轴试样条件下取得的，利用单轴 试验结果推演多轴应力状态下力学行为的研究。多轴蠕变强度理论经历了不同 的发展阶段，然而，现有技术的多轴蠕变设计方法比较弱，相关规范的制定相 对滞后，接触密封蠕变强度与密封性能测试方法还没有。

发明内容

本发明的发明构思在于考虑一种采用蠕变强度和蠕变寿命计算评估进行密 封性测试的方法，从而反应材料孔洞长大微观实效机制，并考虑复杂高温下环 型组合五金密封件的多轴效应。

为此，本发明的目的在于提供一种环型组合五金密封件密封性能测试方法， 包括如下步骤：

(1)建立蠕变计算模型；

(2)对固定寿命的环型组合五金密封件的蠕变强度进行计算；

(3)通过计算结果分析环型组合五金密封件的高温密封性能，蠕变强度增 强的位置高温密封性能变差。

优选的，所述步骤(1)包括：

(1-1)建立环型组合五金密封件的有限元模型；

(1-2)建立高温蠕变本构方程模型；

(1-3)建立基于孔洞长大理论的多轴蠕变模型。

优选的，所述步骤(1-1)计算对区域包括环型组合五金密封件及其周围的 阀盖、阀壳区域，并考虑计算域几何形态及热学、力学边界条件特征，计算确 定在三维轴对称坐标下进行，确定计算时域为环型组合五金密封件的工作寿命 时长从而完整考察整个寿命期内蠕变松弛对密封性能和强度的影响。

优选的，所述环型组合五金密封件四周的阀门和密封分别采用四节点四边 体非结构化和八节点四边形非线性热力耦合单元，环型组合五金密封件与阀门 的接触部位分别进行网格加密处理，阀门外侧暴露在大气环境中，环型组合五 金密封件承受阀门内外腔与大气环境之间最大蒸汽压差，计算域的约束为阀体 底边Y向位移，环型组合五金密封件外径处上下端面和圆柱面受阀壳和阀盖的接 触约束，环型密封上臂外侧的接触面受阀盖约束，下臂外侧接触面受阀壳约束。

优选的，所述步骤(1-1)的模型建立过程进行传热计算，其中考虑了接触 部分的接触热阻，在光滑表面和同种材料情况下，采用温度和界面间隙的函数， 模型建立过程进行力平衡计算，其中考虑接触面库仑摩擦力，长期高温运行中 环型密封接触区域会发生变化，计算中采用自适应网格技术，计算使用的参数 包括蒸汽热物理性质及环型密封周围换热系数。

优选的，所述步骤(1-2)的所述高温蠕变本构方程模型采用阿肯斯定律时 间硬化修正的牛顿-贝利蠕变本构方程，即

该方程考虑了蠕变情况下应力、应变都随时间变化的特征，其中ε^C，t，σ， ΔH为材料蠕变应变、时间、应力、激化能；C，p，q为材料参数；R、T为波 兹曼常数、绝对温度，激化能和材料参数则通过材料试验数据的拟合获取。

优选的，所述步骤(1-3)的所述基于孔洞长大理论的多轴蠕变模型是描述 高温下多轴应力状态导致材料蠕变韧性降低的模型，根据孔洞长大模型可以得 到多轴应力状态和单轴应力状态下蠕变应变的对应关系为：

式中，t_c，ε_ss，n，f_c，f_n分别为孔洞聚合时间、等效应变率、牛顿指数、 孔洞聚合面积分数、孔洞临界聚合分数。g定义为：

单轴应力作用下，上式中的σ_m/σ_eq(静水压力/等效应力)为1/3，因而可以 得到：

用g₀代替式(2)中可得单轴应力作用下蠕变应变关系式：

由式(2)和(5)可得多轴蠕变应变与单轴蠕变应变之比，即多轴度因子：

利用多轴度引资将蠕变应变的许可条件写为：

ε_e＝ε_e,cF_CA≤[ε_c] (7)

式中，F_CA、ε_e、ε_e,c、[ε_c]分别为多轴度因子、等效应变、第二等效应变、 蠕变许用应变。

优选的，所述环型组合五金密封件的蠕变许可用应变的限制在2％。

根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会 更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。

附图说明

后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实 施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人 员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。本发明的目标及特征考虑到如下 结合附图的描述将更加明显，附图中：

附图1为根据本发明实施例的环型密封的网格密度和约束边界示意图；

附图2为根据本发明实施例的蠕变过程中孔洞变化及力学表现示意图；

附图3为根据本发明实施例的高温构件蠕变强度计算流程图。

具体实施方式

本实施例技术背景在于目前国内1000MW等级的超超临界二次再热机组中 压缸进口蒸汽参数已由原来的6MPa/600摄氏度提升到13MPa/620摄氏度。中压 缸进气阀往往承受着汽轮机组的最高温度。进气阀是一个高压容器，阀壳和阀 盖联接的密封要求很高。传统进气阀采用平板形环状密封圈，依靠螺栓押金密 封圈获得密封性能。平板密封圈长期处于高温高压之下，蠕变的积累导致松弛， 平板密封性能随之下降。U型五金密封件作为一种新型密封件代替过去以平板密 封，具有更好的高温密封性能。

环型五金密封件在阀门中的安装定位面在环型底部两侧，密封接触面在环 型顶部分叉的外侧，环型五金密封件具有很好的弹性，安装时预置的环型体边 形使密封件接触面紧压在阀壳和阀盖上，从而获得密封效果。发生蠕变后预置 边形被逐渐松弛，依靠环型结构的回弹补偿失去的压紧力，因此需要对高温环 型五金密封件的密封性能进行测试，防止发生意外的事故造成主机械部件损坏。

一种环型组合五金密封件密封性能测试方法，包括如下步骤：

(1)建立蠕变计算模型；

(2)对固定寿命的环型组合五金密封件的蠕变强度进行计算；

(3)通过计算结果分析环型组合五金密封件的高温密封性能。

所述步骤(1)包括：

(1-1)建立环型组合五金密封件的有限元模型，计算对象为1000MW超超 临界二次再热机组中环形五金密封件，计算区域包括环形密封圈及其周围的阀 盖、阀壳区域，阀门内外腔的蒸汽参数为600摄氏度和15MPa。考虑到计算域几 何形态及热学、力学边界条件特征，计算确定在三维轴对称坐标下进行，计算 时域为环形密封件的工作寿命为200000小时，以便完整考察整个寿命期内蠕变 松弛对密封性能和强度的影响，阀门和密封分别采用四节点四边体非结构化和 八节点四边形非线性热力耦合单元，环形密封与阀门的接触部位分别进行网格 加密处理，最终环形密封单元总数为3126，单元最小尺寸为0.15mm，网格划分 如图1所示，阀门内外腔承受600摄氏度/15MPa高参数蒸汽负荷，阀门外侧暴露 在大气环境中，环形密封承受阀门内外腔与大气环境之间最大蒸汽压差，计算 域的约束为阀体底边Y向位移，环形密封圈外径处上下端面和圆柱面受阀壳和阀 盖的接触约束，环形密封上臂外侧的接触面受阀盖约束，下臂外侧接触面受阀 壳约束。传热计算中考虑了接触部分的接触热阻，在光滑表面和同种材料情况 下，采用温度和界面间隙的函数。力平衡计算中考虑接触面库仑摩擦力，长期 高温运行中环形密封接触区域会发生变化，计算中采用自适应网格技术，计算 使用的参数包括蒸汽热物理性质及环形密封周围换热系数；

(1-2)建立高温蠕变本构方程模型，高温蠕变本构方程模型采用阿肯斯定 律时间硬化修正的牛顿-贝利蠕变本构方程，即

该方程考虑了蠕变情况下应力、应变都随时间变化的特征，其中ε^C，t，σ， ΔH为材料蠕变应变、时间、应力、激化能；C，p，q为材料参数；R、T为波 兹曼常数、绝对温度，激化能和材料参数则通过材料试验数据的拟合获取；

(1-3)建立基于孔洞长大理论的多轴蠕变模型，如图2所示，基于孔洞长 大理论的多轴蠕变模型是描述高温下多轴应力状态导致材料蠕变韧性降低的模 型，该模型认为蠕变失效的产生与宏观力学表现出的粘塑性应变有关。在载荷 作用下，由于晶界孔洞长大引起的局部蠕变率超过附近材料的变形率，应力就 会重新分配，直至孔洞长大引起的狭窄截面应变率等于较远处无孔洞晶粒组的 应变率而导致孔洞的长大、联合，最终产生破坏，根据孔洞长大模型可以得到 多轴应力状态和单轴应力状态下蠕变应变的对应关系为：

式中，t_c，ε_ss，n，f_c，f_n分别为孔洞聚合时间、等效应变率、牛顿指数、 孔洞聚合面积分数、孔洞临界聚合分数。g定义为：

单轴应力作用下，上式中的σ_m/σ_eq(静水压力/等效应力)为1/3，因而可以 得到：

用g₀代替式(2)中可得单轴应力作用下蠕变应变关系式：

由式(2)和(5)可得多轴蠕变应变与单轴蠕变应变之比，即多轴度因子：

由于蠕变失效主要体现在高温构件的过度变形，所以在蠕变分析中通常以 应变而不是应力作为评估参量。处于高温状态的高温构件，即使在定常外力作 用下，其蠕变变形也会随着时间而缓慢增加，即失效表现为时间相关性。再加 上大多数高温试验都是用蠕变引伸测量仪监测应变变化，故对蠕变应变进行限 制更有现实意义。利用多轴度引资将蠕变应变的许可条件写为：

ε_e＝ε_e,cF_CA≤[ε_c] (7)

式中，F_CA、ε_e、ε_e,c、[ε_c]分别为多轴度因子、等效应变、第二等效应变、 蠕变许用应变。环形密封的蠕变许可用应变目前还没有国家标准，根据德国TRD 高温强度规范将其限制在2％。高温构件蠕变强度计算流程如图3所示。

虽然本发明已经参考特定的说明性实施例进行了描述，但是不会受到这些 实施例的限定而仅仅受到附加权利要求的限定。本领域技术人员应当理解可以 在不偏离本发明的保护范围和精神的情况下对本发明的实施例能够进行改动和 修改。

Claims (8)

1.一种环型组合五金密封件密封性能测试方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)建立蠕变计算模型；

(2)对固定寿命的环型组合五金密封件的蠕变强度进行计算；

(3)通过计算结果分析环型组合五金密封件的高温密封性能，蠕变强度增强的位置高温密封性能变差。

2.根据权利要求1所述的一种环型组合五金密封件密封性能测试方法，其特征在于所述步骤(1)包括：

(1-1)建立环型组合五金密封件的有限元模型；

(1-2)建立高温蠕变本构方程模型；

(1-3)建立基于孔洞长大理论的多轴蠕变模型。

3.根据权利要求2所述的一种环型组合五金密封件密封性能测试方法，其特征在于所述步骤(1-1)计算对区域包括环型组合五金密封件及其周围的阀盖、阀壳区域，并考虑计算域几何形态及热学、力学边界条件特征，计算确定在三维轴对称坐标下进行，确定计算时域为环型组合五金密封件的工作寿命时长从而完整考察整个寿命期内蠕变松弛对密封性能和强度的影响。

4.根据权利要求3所述的一种环型组合五金密封件密封性能测试方法，其特征在于所述环型组合五金密封件四周的阀门和密封分别采用四节点四边体非结构化和八节点四边形非线性热力耦合单元，环型组合五金密封件与阀门的接触部位分别进行网格加密处理，阀门外侧暴露在大气环境中，环型组合五金密封件承受阀门内外腔与大气环境之间最大蒸汽压差，计算域的约束为阀体底边Y向位移，环型组合五金密封件外径处上下端面和圆柱面受阀壳和阀盖的接触约束，环型密封上臂外侧的接触面受阀盖约束，下臂外侧接触面受阀壳约束。

5.根据权利要求2所述的一种环型组合五金密封件密封性能测试方法，其特征在于所述步骤(1-1)的模型建立过程进行传热计算，其中考虑了接触部分的接触热阻，在光滑表面和同种材料情况下，采用温度和界面间隙的函数，模型建立过程进行力平衡计算，其中考虑接触面库仑摩擦力，长期高温运行中环型密封接触区域会发生变化，计算中采用自适应网格技术，计算使用的参数包括蒸汽热物理性质及环型密封周围换热系数。

6.根据权利要求2所述的一种环型组合五金密封件密封性能测试方法，其特征在于所述步骤(1-2)的所述高温蠕变本构方程模型采用阿肯斯定律时间硬化修正的牛顿-贝利蠕变本构方程，即

该方程考虑了蠕变情况下应力、应变都随时间变化的特征，其中ε^C，t，σ，ΔH为材料蠕变应变、时间、应力、激化能；C，p，q为材料参数；R、T为波兹曼常数、绝对温度，激化能和材料参数则通过材料试验数据的拟合获取。

7.根据权利要求2所述的一种环型组合五金密封件密封性能测试方法，其特征在于所述步骤(1-3)的所述基于孔洞长大理论的多轴蠕变模型是描述高温下多轴应力状态导致材料蠕变韧性降低的模型，根据孔洞长大模型可以得到多轴应力状态和单轴应力状态下蠕变应变的对应关系为：

式中，t_c，ε_ss，n，f_c，f_n分别为孔洞聚合时间、等效应变率、牛顿指数、孔洞聚合面积分数、孔洞临界聚合分数。g定义为：

单轴应力作用下，上式中的σ_m/σ_eq(静水压力/等效应力)为1/3，因而可以得到：

用g₀代替式(2)中可得单轴应力作用下蠕变应变关系式：

由式(2)和(5)可得多轴蠕变应变与单轴蠕变应变之比，即多轴度因子：

利用多轴度因子将蠕变应变的许可条件写为：

ε_e＝ε_e,cF_CA≤[ε_c] (7)

式中，F_CA、ε_e、ε_e,c、[ε_c]分别为多轴度因子、等效应变、第二等效应变、蠕变许用应变。

8.根据权利要求7所述的一种环型组合五金密封件密封性能测试方法，其特征在于所述环型组合五金密封件的蠕变许可用应变的限制在2％。