Analýza vlivu vody na životnost konstrukce ventilu pro společnost IMI CCI

Jak dlouho bude sloužit speciální ventil v náročném provozu německé elektrárny GKM Mannheim?

Numerické simulace nám dávají možnost odhalit závažné chyby již při návrhu nového designu a předejít tak výrobě nefunkčního ventilu. Díky simulacím různých provozních stavů a zatížení lze také predikovat životnost dané součásti. V případě společnosti IMI CCI bylo naším hlavním cílem zjistit, jakým způsobem se bude chovat nastřikovaná voda uvnitř směšovacího obtokového ventilu a jaký to bude mít vliv na životnost jeho vlastní konstrukce.

Image
SVS FEM simulace Ansys
 
IMI CC

Společnost IMI CCI je součástí globální inženýrské skupiny IMI plc. V České republice působí od roku 2002 a zaměstnává více než 200 lidí. Vyrábí zakázkové tlakové ventily určené do vysoce zátěžových provozů – pro ropný průmysl, petrochemii a energetiku.

Zjistili jsme, že:

1. Nejkritičtější místo při daném zatížení vydrží téměř

7000

cyklů

2. Provoz při každodenním odstavování elektrárny bude

16

roků

Tam, kde není prostor pro chyby

Bez numerických simulací by měla společnost IMI CCI jen omezené možnosti analýzy dějů uvnitř ventilu. V současné době využívá především nástroj Ansys Mechanical pro analýzu pevnostního namáhání. Pro návrhy nových ventilů a úprav stávajících je využívána kombinace numerických simulací, analytických výpočtů a mnoha let zkušeností. Tyto ventily jsou využívány v elektrárnách, kde není prostor pro chyby. Při tvorbě designové změny bylo nutné vyrobit prototyp, který musel projít tlakovou zkouškou, zkouškou těsnosti nebo funkčním testem. Podmínky při těchto zkouškách musí být srovnatelné s reálnými podmínkami v elektrárně. Výroba nového ventilu i zkoušky jsou finančně i časově velmi náročné a v případě, že nově navržený ventil nevyhoví daným podmínkám, je potřeba vyrobit nový.

Co se děje uvnitř ventilu při 500 °C a 15 MPa

Společnost IMI CCI nás oslovila v souvislosti s analýzou ventilu používaného v německé elektrárně GKM Mannheim, kde chtěli při plánované odstávce provést výměnu toho ventilu za nový ventil s delší životností. Výroba tohoto původně švýcarského ventilu se nyní přesunula do České republiky, kde zástupci IMI CCI chtěli vyhovět náročným požadavkům zákazníka a ventil optimalizovat. Proto bylo nutné provést analýzu proudění, kde dochází k nástřiku vody do vodní páry o teplotě přes 500 °C a tlaku více než 15 MPa a následně zjistit, jaký vliv má teplota proudícího média na konstrukci ventilu. Dále bylo žádoucí zjistit, zdali a případně kde kapičky vody dopadají na konstrukci a jaký mají vliv na její ochlazování i životnost.

 

Když se jedná o vícefázové proudění

Sama společnost IMI CCI výpočty při návrzích svých ventilů používá. Tento ventil byl ale specifický, neboť se jedná o vícefázové proudění a výpočet byl velmi komplexní. Požadováno bylo provedení provázané úlohy proudění a pevnostní analýzy – tzv. Fluid-Structure Interaction (FSI) úloha, proto se společnost rozhodla nás oslovit, abychom výpočet realizovali.
Díky produktům Ansys, které v naší společnosti prodáváme, ale také aktivně používáme, jsme schopni propojovat různé fyziky a provádět tak velmi komplexní výpočty.

Jak probíhala simulace

V tomto případě bylo nutné provést velmi náročnou časově proměnnou vícefázovou simulaci proudění pomocí programu Ansys Fluent a následně na to navázat pevnostní analýzou v programu Ansys Mechanical. Proto byl nejprve proveden výpočet ve 2D. Teprve potom, co se podařilo používané nastavení modelu odladit, byl tento případ převeden do 3D pro zachycení všech detailů.

Simulováno bylo několik stavů:

  • ventil uzavřen,
  • částečné otevření – ventilem začala proudit nízkotlaká pára,
  • plné otevření ventilu – uvnitř došlo k navýšení tlaku i teploty, začalo nastřikování vody.

Nakonec konstrukce ventilu postupně chladla.

V průběhu bylo zkoumáno:

  • teplotní a rychlostní pole vodní páry,
  • sekundární rozpad kapek a rychlost vypařování nastřikované vody do vodní páry,
  • dopad kapiček vody na stěny ventilu a následné nadměrné teplotní namáhání stěn.

Na základě zjištěných stavů byl sestaven proces chování ventilu odpovídající najíždění a odstavování elektrárny na základě reálných dat z provozu. Tento cyklus odpovídal nejhorším podmínkám, které dovoluje výrobce ventilu a kterým může být ventil během provozu vystaven.

 
SVS FEM Ansys simulace
SVS FEM Ansys simulace

Výsledek

Produkty Ansys nám umožňují nahlédnout, jakým způsobem dochází k nástřiku vody do vodní páry uvnitř ventilu a zjistit, jak tento proces následně ovlivní životnost vlastní konstrukce ventilu. To vše bez zdlouhavé výroby prototypů a provádění náročných zkoušek. Z výpočtu proudění byly zjištěny koeficienty přestupu tepla a teploty páry na vnitřních površích ventilu pro jednotlivé stavy cyklického namáhání. Na počátku tohoto cyklu byl uvažován uzavřený ventil, který byl poté částečně otevřen a vtékala do něj pára o nízkém tlaku a teplotě. Následně došlo k úplnému otevření ventilu, tím pádem se zvýšil průtok páry a zvýšil se i tlak a teplota uvnitř ventilu. Souběžně se postupně navyšovala teplota, což odpovídalo najíždění elektrárny do plného provozu. V dalším kroku se do páry začala nastřikovat voda. Po ukončení tohoto procesu ventil postupně chladl na počáteční hodnoty. Jeden tento cyklus trval 22 hodin. Stav, kdy docházelo k nástřiku vody do proudu páry, bylo nutné řešit dvoufázovou simulací zahrnující sekundární rozpad kapek a určení jejich trajektorií. Cílem bylo identifikovat místa, která jsou ovlivňována vstřikovanou vodou a mohou být vystavena zvýšenému teplotnímu namáhání. Na základě výsledků CFD analýzy bylo provedeno několik pevnostních výpočtů. Nejdříve bylo nutné určit napětí vzniklá při montáži ventilu – především od předpětí šroubů. Následně byly výsledky z proudění importovány a použity jako okrajová podmínka pro teplotní úlohu. Tato byla provedena jako časově závislý výpočet zahrnující celých 22 hodin a poskytující plný obraz o napěťových stavech během najíždění a následného odstavení elektrárny a dopadů na hodnocený obtokový směšovací ventil. Na základě tohoto zátěžného cyklu byla následně provedena analýza únavy materiálu a životnosti ventilu. Z hlediska životnosti byla hodnocena nejkritičtější místa z pohledu napěťových špiček a teplotních a napěťových změn během celého cyklu.

Zjištěno tedy bylo, že nejkritičtější místo při daném zatížení vydrží téměř 7000 cyklů, což odpovídá 16 rokům provozu při každodenním odstavování elektrárny.