01 案例背景

EDF研发部门开展了一项来自MMC部门关于包含水蒸汽测试设施的改进工作。主要内容是通过仿真模拟来鉴定阀门等相关部件性能。在此之前，相关部件的性能鉴定都是由循环实验测得。鉴定工作分为两个阶段，阀门需要经受1000次开关操作与10次冷热交替冲击（在1秒左右，温度变化为285℃/60℃）。在这些操作后，将检查阀门的内部密封性、外部密封性与可操作性。在仿真模拟中，我们只考虑冷热冲击对阀门密封性的影响，更具体而言，我们将考虑阀座内衬的应力状态。

图1 阀座内衬

根据计算结果可以预估阀座内衬开裂的风险，从而对阀门的内部密封性进行判断。实际上，热冲击造成阀座的径向开裂是阀门密封性丧失的主要原因。在本案例中，也将仿真结果与实验结果进行了对比和讨论。

02 仿真过程

首先使用通用CFD仿真和Syrthès进行3D耦合计算，得到了阀门内的温度场。模拟的阀门冷热冲击温度变化如下图所示，然后将所得到的温度场投影到力学计算网格上。

图2 阀门所受冷热冲击示意图

之后会在通用结构仿真软件中进行3D热弹性计算，最后再对残余应力进行计算。残余应力的计算需要分为三部分：首先是非线性热计算；之后进行冶金计算，以考虑温度变化对材料热学性能的影响；最后进行热应力计算。由于阀座内衬是钨铬钴合金。这是一种钴基材料，其在快速冷却过程中的冶金转变尚不清楚。因此，无法进行冶金计算。此外，由于阀门内部的焊接过程是手工进行的，因此热量的输入实际上会较实际值偏小。

03 结果展示

阀门在受到热冲击0.1秒时的温度场如图3所示，可以发现阀门下游的加热或冷却比阀门其他部分更快。与装有41个热电偶的阀门受热冲击的实验结果相比，总体结果除了最初的较短时间以外，偏差在可接受范围内（图4）。

图3 阀门在0.1秒时刻的温度分布图4 阀门热冲击后计算温度与实验温度的差值

在进行热弹性计算时，阀门在冲击开始后约0.2秒(图5)，阀座内衬达到正交应力(导致开裂的应力)的峰值。内衬在热冲击时被压缩(- 650 MPa)，在冷冲击时被拉伸(+ 950 MPa)。可以观察到，阀座上游的极端应力水平较低。这是由于工件的几何形状和温度分布：事实上，在这个区域，阀门部件与热或冷流体的接触发生得较晚，且流速和热交换也更低。由于内衬是通过焊接连接的，在焊接部分仍存在残余应力，现实的应力评估还需要考虑残余应力。

图5 阀门冷热冲击后阀座内衬不同方向所受的应力分布

残余应力计算结果表明，阀座内的正交残余应力在流体流动方向为+ 350 MPa，在垂直方向为+ 500 MPa(图6)。目前，尚缺乏这些残余应力的实验测量。事实上，由于材料和涂层厚度等数据的缺失，测量也是非常困难的。

图6 阀座内衬残余应力分布

04 结论

考虑到残余应力，热冲击时，阀座内衬最大应力水平为- 300 MPa，冷冲击时的最大应力水平为+ 1450 MPa。而钨铬钴合金是一种非常脆的材料，在室温下的屈服强度为700 MPa。因此，计算表明内衬存在发生开裂的可能。而经过10次改冷热冲击实验的阀门没有显示阀座损坏。因此，可以得出结论，计算是保守的。其保守性源于所进行的热应力计算是一种弹性计算，它高估了阀体和阀座的应力水平。

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