汽輪機(jī)快速冷卻裝置密封圈斷裂失效過(guò)程模擬

薛勇，唐鵬濤

(國(guó)家電投集團(tuán) 協(xié)鑫濱海發(fā)電有限公司，江蘇 鹽城 224500)

0 引言

汽輪機(jī)快速冷卻裝置密封圈斷裂失效過(guò)程模擬研究的背景如下：汽輪機(jī)快速冷卻裝置中的密封圈是一種易于安裝、成本較低且結(jié)構(gòu)十分簡(jiǎn)單的橡膠密封件，具有良好的可靠性與密封性，是密封材料中使用范圍最廣泛、生產(chǎn)量最大的密封產(chǎn)品[1]。然而橡膠老化、間隙咬傷、材料變形等原因會(huì)導(dǎo)致汽輪機(jī)快速冷卻裝置密封圈的斷裂失效，從而帶來(lái)汽輪機(jī)快速冷卻裝置的氣體泄漏等問(wèn)題，影響汽輪機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)甚至發(fā)生安全事故[2]。為了避免發(fā)生以上情況，需要對(duì)汽輪機(jī)快速冷卻裝置密封圈斷裂失效的過(guò)程進(jìn)行模擬研究，加深對(duì)汽輪機(jī)快速冷卻裝置中密封圈性能的了解以便及時(shí)對(duì)其進(jìn)行更換，避免發(fā)生事故以及造成損失[3]。目前，國(guó)內(nèi)外都十分重視汽輪機(jī)快速冷卻裝置密封圈斷裂失效過(guò)程的模擬研究并取得了多樣化的研究成果。自20世紀(jì)20年代起，國(guó)外就已經(jīng)開始著手研究橡膠力學(xué)、物理性能的具體變化規(guī)律，進(jìn)行了多種試驗(yàn)，包括人工抗霉試驗(yàn)、煙霧腐蝕試驗(yàn)、老化加速試驗(yàn)等。近年來(lái)，隨著高分子學(xué)科研究范圍與深度的拓展、測(cè)試技術(shù)以及計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的不斷發(fā)展，利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)就可實(shí)現(xiàn)汽輪機(jī)快速冷卻裝置密封圈斷裂失效過(guò)程的模擬研究。國(guó)內(nèi)對(duì)此模擬研究起步較晚，有學(xué)者基于CSR方法對(duì)汽輪機(jī)快速冷卻裝置密封圈斷裂的失效過(guò)程進(jìn)行了模擬研究。本文基于以上研究成果進(jìn)行了汽輪機(jī)快速冷卻裝置密封圈斷裂失效過(guò)程的深入模擬研究。

1 汽輪機(jī)快速冷卻裝置密封圈斷裂失效過(guò)程模擬

1.1 材料狀況

首先在模擬過(guò)程中做出如表1所示假設(shè)[4]。

表1 模擬過(guò)程中做出的假設(shè)

活塞從氣缸蓋處開始運(yùn)動(dòng)時(shí)，氣缸內(nèi)的工作容積逐漸增大，這時(shí)，氣體沿著進(jìn)氣管推開進(jìn)氣閥而進(jìn)入氣缸，直到工作容積變到最大時(shí)為止，進(jìn)氣閥關(guān)閉;活塞反向運(yùn)動(dòng)時(shí)，氣缸內(nèi)工作容積縮小，氣體壓力升高，當(dāng)氣缸內(nèi)壓力達(dá)到并略高于排氣壓力時(shí)，排氣閥打開，氣體排出氣缸，直到活塞運(yùn)動(dòng)到極限位置為止，排氣閥關(guān)閉。當(dāng)活塞再次反向運(yùn)動(dòng)時(shí)，上述過(guò)程重復(fù)出現(xiàn)?？傊?，曲軸旋轉(zhuǎn)一周，活塞往復(fù)一次，氣缸內(nèi)相繼實(shí)現(xiàn)進(jìn)氣、壓縮、排氣的過(guò)程，即完成一個(gè)工作循環(huán)。試驗(yàn)中使用的汽輪機(jī)快速冷卻裝置密封圈是一個(gè)半徑為1.5 cm的橡膠密封圈，將其置于密封槽內(nèi)[5]。在密封圈的安裝過(guò)程中，受到1cm/s速度的剛性面壓縮；完成密封圈安裝后，一側(cè)逐漸增加介質(zhì)的均布?jí)毫?，?MPa增加至1.6MPa，使用PTFE材料為主的墊片需在法蘭接頭安裝24 h后進(jìn)行再擰緊的操作，以彌補(bǔ)由于墊片蠕變松弛引起的墊片壓縮應(yīng)力降低以及由此引起的螺栓緊固載荷的減少。該密封圈的工作過(guò)程如圖1所示。

圖1 密封圈的工作過(guò)程

靠彈性構(gòu)件(彈簧或波紋管，或波紋管及彈簧組合構(gòu)件)和密封介質(zhì)的壓力，在旋轉(zhuǎn)的動(dòng)環(huán)密封圈和靜環(huán)密封圈的接觸表面(端面)上產(chǎn)生適當(dāng)?shù)膲毫κ惯@兩個(gè)端面緊密貼合，端面間維持一層極薄的液體膜而達(dá)到密封的目的。

1.2 構(gòu)建密封圈有限元模型

構(gòu)建該汽輪機(jī)快速冷卻裝置密封圈的有限元模型，首先要構(gòu)建該汽輪機(jī)快速冷卻裝置的實(shí)體模型[6]。在實(shí)體模型中，快速冷卻裝置是軸對(duì)稱的，則密封圈的軸線方向荷載同樣是軸對(duì)稱狀態(tài)。

根據(jù)構(gòu)建的汽輪機(jī)快速冷卻裝置實(shí)體模型，對(duì)密封圈的實(shí)體模型進(jìn)行簡(jiǎn)化。將活塞、缸筒作為剛體，并將密封圈當(dāng)做柔體[7]。省略部分缸筒材料以及活塞材料，構(gòu)建簡(jiǎn)化后的密封圈實(shí)體模型如圖2所示。

圖2 簡(jiǎn)化后的密封圈實(shí)體模型

根據(jù)簡(jiǎn)化后的密封圈實(shí)體模型構(gòu)建密封圈的有限元模型[8]。簡(jiǎn)化后的密封圈實(shí)體模型的具體尺寸數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 簡(jiǎn)化后的密封圈實(shí)體模型的具體尺寸數(shù)據(jù) 單位：mm

通過(guò)智能劃分網(wǎng)格將密封圈劃分成四邊形的4節(jié)點(diǎn)單元，同樣對(duì)活塞與缸筒等剛體實(shí)施網(wǎng)格劃分[9]。進(jìn)行密封圈有限元模型的構(gòu)建，具體構(gòu)建步驟如下。

1)首先對(duì)材料屬性進(jìn)行設(shè)置。在ANSYS軟件中按照簡(jiǎn)化后的密封圈實(shí)體模型構(gòu)建對(duì)應(yīng)的簡(jiǎn)化模型，對(duì)單元類型進(jìn)行定義，如表3所示[10]。

表3 對(duì)單元類型進(jìn)行定義的結(jié)果

然后對(duì)單元的對(duì)應(yīng)材料屬性進(jìn)行設(shè)置，如表4所示[11]。

表4 對(duì)單元的對(duì)應(yīng)材料屬性進(jìn)行設(shè)置的結(jié)果

2)網(wǎng)格劃分：利用工具M(jìn)eshTool進(jìn)行網(wǎng)格的劃分，通過(guò)菜單命令、命令路徑的操作實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格劃分功能，其中菜單命令為主菜單—預(yù)處理器—網(wǎng)格劃分—網(wǎng)格工具；命令路徑為 AMESH[12]。

3)接觸對(duì)創(chuàng)建：通過(guò)接觸管理器生成缸筒、活塞、密封圈避免的接觸對(duì)，并向解除對(duì)分配實(shí)常數(shù)號(hào)與接觸單元等。具體創(chuàng)建步驟如下：

首先打開軟件中的接觸管理器，菜單命令具體為主菜單—預(yù)處理器—建?！?jiǎng)?chuàng)建—接觸對(duì)。接著單擊最左邊的工具條按鈕，點(diǎn)擊添加觸點(diǎn)對(duì)對(duì)話框，最后將剛性面包括活塞與缸筒定義成目標(biāo)面；柔性面即密封圈定義成接觸面，在注意接觸方向的同時(shí)選擇面與面接觸[13]。通過(guò)CONTA172與TARGE 169這兩種單元類型對(duì)二維接觸對(duì)進(jìn)行定義，其中前者是接觸單元，后者是目標(biāo)單元，實(shí)現(xiàn)接觸對(duì)的創(chuàng)建，其中設(shè)置的摩擦系數(shù)為0.2。

4)載荷施加：在模擬數(shù)據(jù)的過(guò)程中，分成4個(gè)步驟進(jìn)行荷載的施加，如表5所示。

表5 荷載施加的步驟與內(nèi)容

構(gòu)建有限元模型如圖3所示。

圖3 構(gòu)建的有限元模型

1.3 密封圈斷裂失效過(guò)程模擬

利用構(gòu)建的有限元模型對(duì)汽輪機(jī)快速冷卻裝置密封圈斷裂失效過(guò)程進(jìn)行模擬，模擬過(guò)程在ANSYS軟件中進(jìn)行[14]。具體步驟如下：

1)對(duì)于構(gòu)建的有限元模型，通過(guò)改變油壓與壓縮率增加模型的接觸應(yīng)力與應(yīng)力，將最大接觸應(yīng)力與最大切應(yīng)力作為汽輪機(jī)快速冷卻裝置密封圈斷裂失效的判據(jù)與準(zhǔn)則[15]。其中最大接觸應(yīng)力是在汽輪機(jī)快速冷卻裝置密封圈的工作過(guò)程中，當(dāng)其與上下剛體之間的最大接觸應(yīng)力比工作壓力p小，則會(huì)造成汽輪機(jī)快速冷卻裝置密封圈的斷裂失效。因此，最大接觸應(yīng)力是判斷汽輪機(jī)快速冷卻裝置密封圈斷裂失效的首要條件，也就是汽輪機(jī)快速冷卻裝置密封圈斷裂失效滿足以下條件：

σxmax

(1)

式中σxmax為最大接觸應(yīng)力。

而對(duì)于汽輪機(jī)快速冷卻裝置密封圈，是由邊界條件決定其接觸應(yīng)力，包括工作壓力p與預(yù)壓縮應(yīng)力σ0，如式(2)所示[16]。

σxmax=σ0+kp

(2)

式中k為應(yīng)力閾值。

而預(yù)壓縮應(yīng)力σ0與壓縮量、密封圈截面形狀及其材料有關(guān)，如式(3)所示。

σ0=g(f,ε0)Eε0

(3)

式中：g為壓縮量；f為材料屬性；ε0為密封圈截面形狀；E為摩擦系數(shù)。

將公式(3)代入公式(2)中，可得式(4)：

σxmax=g(f,ε0)Eε0+kp

(4)

將公式(4)代入公式(1)中，可得式(5)：

(5)

即可獲得試驗(yàn)中設(shè)置的預(yù)壓縮應(yīng)力[17]。

對(duì)于切應(yīng)力，其最大處為密封槽的槽口轉(zhuǎn)角處，當(dāng)其超過(guò)材料自身的剪切強(qiáng)度后，會(huì)產(chǎn)生汽輪機(jī)快速冷卻裝置密封圈斷裂失效現(xiàn)象。此時(shí)切應(yīng)力滿足下式：

σxy<τb

(6)

式中：σxy為最大切應(yīng)力；τb為材料自身的剪切強(qiáng)度。

2)通過(guò)改變油壓與壓縮率增大模型的接觸應(yīng)力與切應(yīng)力直到汽輪機(jī)快速冷卻裝置密封圈出現(xiàn)斷裂失效現(xiàn)象，記錄試驗(yàn)過(guò)程中的全部試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

3)分析選項(xiàng)與分析類型設(shè)置：其中分析類型的設(shè)置需要選擇動(dòng)態(tài)分析，其菜單命令為：主菜單—解決方案—分析類型—新建分析[18]。彈出分析類型對(duì)話框后單擊其中的動(dòng)態(tài)按鈕，指定分析類型為動(dòng)力分析。

接著設(shè)置分析選項(xiàng)，其菜單命令為：主菜單—解決方案—分析類型—解決方案控制—基本，設(shè)置最小子步數(shù)、最大子步數(shù)以及載荷子步數(shù)這幾個(gè)選項(xiàng)。

4)結(jié)果記錄：記錄接觸應(yīng)力與切應(yīng)力實(shí)際增大的過(guò)程中，汽輪機(jī)快速冷卻裝置密封圈的變化情況。

2 模擬結(jié)果分析

在增加接觸應(yīng)力與切應(yīng)力的過(guò)程中，通過(guò)掃描電鏡觀察密封圈底殼斷面的微觀形貌圖(圖4)?？捎^察到密封圈底殼斷裂面的微觀形貌。圖中斷裂面區(qū)域呈現(xiàn)階梯狀(或梯田狀)沿著某一點(diǎn)向外擴(kuò)散，該點(diǎn)即為斷裂的起源點(diǎn)，靠近該起源點(diǎn)附近斷裂面形貌表現(xiàn)為光亮、脆性，遠(yuǎn)離該起源點(diǎn)，斷裂面表現(xiàn)為粗糙、韌性。

圖4 斷裂面電鏡掃描微觀形貌

汽輪機(jī)快速冷卻裝置密封圈的整體應(yīng)力分布變化過(guò)程如圖5所示。

圖5 密封圈整體應(yīng)力分布變化過(guò)程

由圖5可知，汽輪機(jī)快速冷卻裝置密封圈在增加接觸應(yīng)力與切應(yīng)力的過(guò)程中逐漸發(fā)生變形，并且發(fā)生了應(yīng)力轉(zhuǎn)移。當(dāng)壓力超過(guò)其承受限度，密封圈就會(huì)發(fā)生斷裂失效現(xiàn)象，從而導(dǎo)致泄漏現(xiàn)象的發(fā)生。

根據(jù)構(gòu)件缺口根部小范圍內(nèi)的應(yīng)力場(chǎng)來(lái)建立應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度分析模型，通過(guò)分析缺口周圍的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系、應(yīng)力梯度、材料性能參數(shù)，應(yīng)用到應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度中：

(7)

式中：Ω表示疲勞損傷區(qū)域；V表示疲勞損傷區(qū)域的面積；f(σij)表示應(yīng)力破壞函數(shù)；w(r)表示權(quán)函數(shù)；r為距離缺口根部的距離。

在汽輪機(jī)快速冷卻裝置密封圈發(fā)生變形后，其最大主應(yīng)力及切應(yīng)力的對(duì)應(yīng)分布云圖如圖6所示。

圖6 最大主應(yīng)力及切應(yīng)力的對(duì)應(yīng)分布云圖

在不同壓縮率與不同油壓的情況下，接觸應(yīng)力的變化數(shù)據(jù)如表6所示。

表6 接觸應(yīng)力的變化數(shù)據(jù) 單位：MPa

在不同壓縮率與不同油壓的情況下，切應(yīng)力的變化數(shù)據(jù)如表7所示。

表7 切應(yīng)力的變化數(shù)據(jù) 單位：MPa

汽輪機(jī)快速冷卻裝置密封圈在增大油壓與壓縮率的過(guò)程中，當(dāng)油壓達(dá)到15MPa，壓縮率為10%時(shí)，切應(yīng)力達(dá)到最大，密封圈出現(xiàn)斷裂失效的現(xiàn)象。

3 結(jié)語(yǔ)

對(duì)汽輪機(jī)快速冷卻裝置密封圈斷裂失效過(guò)程進(jìn)行模擬，能夠加深對(duì)其性能的了解，對(duì)密封圈的及時(shí)更換有重要意義。