Введение к работе
Актуальность работы. Регулирующая арматура в общей номенклатуре энергетической арматуры занимает исключительно важно место, обеспечивая условия нормального функционирования технологических систем трубопроводов, стабильность их рабочих параметров.
Регулирующие клапаны дискового типа, далее – РКД, используются в качестве управляющих рабочих органов для регулирования технологических параметров пропускаемых жидкой, парожидкостной или газовой (паровой) сред. РКД малого условного прохода (до Ду 250) изготавливались с 1991 года и хорошо себя зарекомендовали при эксплуатации. Однако для клапанов с большими условными проходами (Ду300Ду700), наблюдались отдельные случаи возникновения отказов при их эксплуатации в составе технологических систем АЭС. Далее будем рассматривать РКД только этих типоразмеров.
На основании вышеизложенного, автору представляется очевидной актуальность работы, посвященной совершенствованию конструкции и повышению показателей эффективности и надежности РКД для ТЭС и АЭС, начиная с конструктивных решений и заканчивая решением вопросов о снятии их с эксплуатации. Исследования проводились в рамках комплексной госбюджетной научно-исследовательской работы № 1.3.99Ф «Разработка теории и методов повышения технологической прочности качества и надежности оборудования ТЭС и АЭС».
Целью научной работы является повышение надежности РКД путем совершенствования их конструкции, на основании проведенного исследования действующих при эксплуатации гидродинамических, сейсмических, вибрационных нагрузок.
Достижение поставленной цели обеспечивается решением следующих задач:
созданием трехмерных математических моделей, описывающих гидродинамические характеристики потоков рабочих сред в РКД;
исследованием пульсаций среды, распределения полей давлений и скоростей потока в проточной части РКД;
определением гидродинамических нагрузок на элементы РКД в стационарных и переходных режимах путем совместного гидродинамического и прочностного анализа;
проведением всестороннего анализа напряженно-деформированного состояния (НДС) РКД с учетом как давления, так и дополнительных нагружающих факторов (нестационарное температурное поле, уточненные гидродинамические нагрузки, статическое и динамическое воздействия);
разработкой рекомендаций по учету влияния технологических трубопроводов на динамическую прочность РКД, не имеющих собственных опор;
разработкой рекомендаций по оптимизации конструкции РКД;
созданием электронного банка данных по показателям надежности для РКД, находящихся в эксплуатации;
подтверждение теоретических результатов экспериментальными и эксплуатационными данными.
Научная новизна работы:
впервые определены гидродинамические нагрузки на рабочие органы РКД в стационарных и переходных режимах;
получена новая зависимость величины вращающих моментов на золотнике РКД от относительной площади проходного сечения седла, которая используется при проектировании новых клапанов, обеспечивающая минимальное значение закрывающих гидродинамических моментов на золотнике;
установлена степень влияния устанавливаемой в корпус РКД перфорированной корзины на показатели его надежности (наработка на отказ, вероятность безотказной работы), уровень вибрации и шума;
предложена методика оценки сейсмостойкости РКД с вынесенным электроприводом, не имеющих собственных опор, учитывающая влияние технологических трубопроводов и позволяющая более корректно проводить расчет его сейсмостойкости.
Степень достоверности результатов исследований подтверждается:
удовлетворительной сходимостью расчетных и экспериментальных данных (расхождение расчетных и экспериментальных данных по определению спектра частот и размаха виброускорения, определенных при испытании РКД с типоразмерами Ду300Ду400 на действующем блоке Белоярской АЭС и на сертификационных испытаниях проведенных ГУП «НИЦ ВНИИАЭС», не превышало 3%: наработка на отказ, точность поддержания заданных параметров, быстродействие);.
применением современных методов постановки, проведения и обработки результатов исследований;
применением современных вычислительных программных комплексов (ANSYS-CFX, STAR-CD, Зенит-95), предназначенных для решения широкого спектра задач по статической и динамической прочности и гидрогазодинамике.
Практическая значимость работы:
- определены значения гидродинамических нагрузок на рабочие органы РКД в стационарных и переходных режимах, позволяющие уточнить их НДС, для корректного проведения оценки его прочности по действующим нормативно-техническим документам;
- оптимизированы конструкции РКД, что обеспечило снижение величины гидравлических потерь и позволило уменьшить турбулентные пульсации потока среды при их эксплуатации;
- для РКД с типоразмерами Ду300Ду400 разработана перфорированная корзина, устанавливаемая в корпус РКД позволяющая уменьшить турбулентные пульсации и довести вибрационные характеристики до нормативных значений, а также повысить вероятность безотказной работы;
- разработана структура электронного банка данных по показателям надежности РКД с типоразмерами Ду50Ду700, находящихся в эксплуатации, позволяющего определять основные показатели надежности (наработка на отказ, точность поддержания заданных параметров, быстродействие) и принимать оперативные решения по обеспечению эффективности и безопасности клапанов на всех стадиях их жизненного цикла.
Реализация работы.
Теоретические и методические разработки, а также разработка электронного банка данных, нашли практическое применение в процессе проектирования РКД.
В период с 2008 по 2011 год внедрение указанных разработок на ОАО «Атоммашэкспорт» дало экономический эффект не менее 500 тыс. руб за счет повышения надежности РКД и снижения затрат на проектирование.
В период с 2010 по 2011 год материалы настоящей работы использовались на предприятиях ООО «ИЦ Эксперт» и ООО «Югпромсервис».
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на научных семинарах кафедры “Энергетика”; на ежегодных научно-практических конференциях ВИ ЮРГТУ (НПИ); на международных конференциях “Математические методы в технике и технологии” ММТТ-22, 23, 24; на региональных конференциях “Состояние и перспективы строительства и безопасной эксплуатации Волгодонской АЭС”.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 10 печатных работ и 1 работа в электронном журнале, в том числе 2 работы опубликовано в изданиях, включенных в перечень изданий, рекомендованных ВАК РФ.
Объем работы и ее структура. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, заключения и семи приложений. Объем диссертации составляет 153 страницы с 68 иллюстрациями. Список используемых источников включает 140 наименований.
