بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله روند طراحی و مراحل بهینه سازي طرح براي رسیدن به یک طرح مناسب براي بدنه یک شیر کنترلی مورد بررسی قرار گرفتهاست. مدلهاي مختلف بوسیله نرم افزار CATIA بر اساس استانداردهاي موجود تولید شده و با نرمافزار ANSYS مورد تحلیل تنش و آنالیز مودال قرار گرفتند. آنالیز مودال سبب اصلاحاتی در قسمت فلنج شیر شد.
هم چنین در تحلیل تنش مشخص شد که طرحهاي اولیه در قسمت حلقه نشیمنگاه ضعیف میباشند. با ارائه طرحهاي گوناگون، تحلیل تنش و آنالیز مودال آنها و در پی آن انجام اصلاحات مورد نیاز نهایتاً یک طرح مناسب جهت ساخت بدنه شیر کنترلی استخراج شد. نتیجه مهمی که از انجام این پژوهش حاصل شد این است که در شیرهاي با کلاس کاري بالا - فشار بالا - ، فنجانی کف شیر تا حد امکان باید کوچک باشد. در این مقاله طرحهاي مختلف و اصلاحات آن و نمودارهاي تنش و نتایج آنالیز مودال آورده شده است.
-1 مقدمه
مقاله حاضر نتایج انجام یک پروژه تحقیقاتی درباره طراحی و ساخت یک نمونه از بدنه یک شیر کنترلی کلاس 1500 سه اینچ مسیر آب تغذیه بویلر سیکل ترکیبی به کارفرمائی شرکت توانیر است. در حال حاضر شرکتهاي بزرگی در دنیا شیرهاي کنترلی کلاس بالا میسازند اما بررسیها نشان میدهد که در حال حاضر هیچ شرکتی در ایران قادر به تولید چنین شیرهایی نمیباشد. به همین دلیل با انجام و به ثمر رسیدن این پروژه تحقیقاتی میتوان نسبت به طراحی و ساخت شیرهاي کنترلی با کلاس کاري بالا اقدام نمود.
شیرهاي کنترلی مسیر آب تغذیه براي تنظیم آب درام بویلر مورد استفاده قرار میگیرند. بررسیهاي فنی صورت گرفته نشان میدهد که در سیکلهاي ترکیبی نصب شده در ایران تاکنون، اندازه این شیرها 3 اینچ بوده و کلاس فشاري آنها در کلاس ANSI1500 میباشد. در صنعت استانداردهاي مورد استفاده براي طراحی و ساخت شیرها، بیشتر مربوط به ابعاد خارجی و اتصالات شیرها بوده و به دلیل تنوع بالاي عملکرد آنها هیچ گونه اشارهاي به اندازه و ابعاد داخلی شیرها نشده است. لذا چنانچه طراحی و ساخت یک نمونه شیر با رفتار و عملکرد خاصی مد نظر باشد، بایستی مراحل طراحی و مدلسازي آن به طور کامل انجام پذیرد.
-2 مدلسازي جامداتی بدنه شیر کنترلی
با استفاده از مدلسازي جامداتی شیر کنترلی مقادیر ماکزیمم تنش و نقاط بحرانی شناسایی میشود. این مرحله شامل یک یا چندین مرحله تکرار شونده است که با تکرار مراحل به نتیجه مطلوب خواهد رسید. ابتدا شکل هندسی اولیه طراحی شده بر اساس استانداردها، بارگذاري شده و نتایج تنش حاصل از آن بررسی میشود. سبب بر حسب نوع تنش و محل آن اصلاحاتی بر روي طرح انجام میگیرد.
اگر تنش غیر مجازي وجود نداشت، آنگاه دو حالت وجود دارد: یا مقدار ماده شکل - ضخامت جسم - زیاد است که در این صورت ضخامتها باید کم شود، در غیر این صورت طرح ورودي از نتایج تحلیل سیالاتی، مناسب و صحیح بوده و به عنوان طرح نهایی جامداتی انتخاب میشود. اگر تنش غیر مجاز وجود داشت، لازم است با تقویت محل ضعف این مشکل برطرف شود. معمولا این تقویتها با افزایش ضخامت همراه است.
افزایش ضخامت گاهی اندك است و تاثیري در پروفیل جریان سیالات ندارد، در این صورت با اصلاح ضخامت شکل بارگذاري شده و مراحل قبل تکرار میشود. اگر تاثیر تغییرات ضخامت بر جریان سیال قابل توجه باشد، طرح اصلاحی مورد تحلیل سیالاتی قرار گرفته تا پس از طی مراحل آن دوباره از نقطه نظر جامداتی تحلیل گردد. ابعاد در اندازههاي دقیق و همچنین نقشه شیرهاي کنترلی وجود ندارد. تنها استاندارد ANSI B 16.10 براي ابعاد خارجی شیر مثل طول کل شیر، ارتفاع شیر و … وجود دارد .[1] براي طراحی شیر کنترلی یک طرح اولیه با استفاده از ابعاد خارجی ذکر شده در استانداردها و مراجع مربوط به شرکتهاي سازنده شیر کنترلی تهیه گردید.
-1-2 آنالیز مودال
در آنالیز مودال، جسم در حالت بدون بارگذاري مورد تحلیل قرار میگیرد. بنابراین در این حالت شرایط مرزي اعمالی یک مساله بسیار مهم میباشد. در مسایلی که شامل چندین قطعه میباشد، احتمال اشتباه و خطا در آنالیز مودال کل سیستم به صورت یکجا وجود دارد. زیرا که در آن مجموعه اجسام، سختی قطعات مختلف متفاوت میباشد و اجسام سختتر در ماتریس سختی کل مجموعه اثر گذاشته و سختی اجسام نرمتر را تحت تاثیر قرار میدهد. در مساله شیر کنترلی قطعات مختلف داراي تماس هستند.
بطور مثال قفس با بدنه داخلی شیر و پلاگ با بدنه داخلی قفس داراي تماس با اصطکاك کم میباشند. در نرمافزارهاي المان محدود براي تحلیل چنین تماسهایی از المانهاي تماس غیرخطی استفاده میشود. اما از طرفی در اکثر نرمافزارهاي المان محدود همچون ANSYS آنالیز مودال به صورت یک مساله خطی قرار میگیرد. بنابراین از المانهاي تماس غیرخطی در تحلیل مودال نمیتوان استفاده کرد. بنابراین مشاهده میشود که نمیتوان مجموعه شیر را بصورت کامل مورد تحلیل مودال قرار داد. چرا که نمیتوان محل تماس قفس با بدنه داخلی شیر و محل تماس پلاگ با بدنه داخلی قفس را به درستی مدلسازي نمود. معمولا در این شرایط، یک روش محافظهکارانه پیشنهاد میشود.
در این روش هر یک از اجزاء به صورت منفرد و در شرایط تکیهگاهی کاملا آزاد - بدون هیچ تکیهگاهی - مورد آنالیز مودال قرار میگیرند. این روش را در تحلیل استاتیکی تنش به هیچ عنوان نمیتوان بکار برد، اما در آنالیز مودال میتوان از آن استفاده کرد. با توجه به نکته بیان شده، شش فرکانس اول بدست آمده صفر یا بسیار نزدیک به صفر میباشند که در واقع ناشی از حرکت صلب جسم میباشد. نتایج به دست آمده از این تحلیل معمولا کمتر از فرکانسهاي مساله مورد نظر هستند چرا که در مساله مورد تحلیل، اجزاء به صورت بدون تکیهگاه نمیباشند و هر یک به نحوي مقید شدهاند. این قید یا قیود سبب افزایش فرکانس طبیعی جسم یا مجموعه اجسام میشود.
بنابراین میتوان گفت که فرکانسهاي طبیعی شیر در حالت فوق مورد بررسی قرار میگیرد، اگر فرکانسهاي تک تک اجزاء بالاتر از محدوده فرکانسی بحرانی باشند، پس فرکانسهاي کل مجموعه هم قطعا بالاتر از محدوده بحرانی است و سیستم از نظر آنالیز مودال مشکلی ندارد. فرکانسهاي مهم تحریک جریان سیال معمولا بین 800 تا 3000 هرتز میباشد .[2]
بنابراین پلاگ و قفس در حالت نصب از نظر تشدید مشکلی نخواهند داشت. اگر چند فرکانس اول مربوط به فلنج نادیده گرفته شود، لازم به ذکر است که فرکانسهاي طبیعی بدست آمده براي بدنه شیر در حالتی است که بدنه کاملا آزاد و بدون قید است. اما در واقعیت شیر بصورت مقید به خط لوله نصب میشود که این نصب خود سبب افزایش فرکانسهاي طبیعی شیر میشود.
طرح اولیه در شکل 1 نشان داده شده است. شیرمذکور مورد آنالیز تنش و تحلیل مودال قرارگرفت. در آنالیز تنش مشخص شد که طرح بدنه نیاز به اصلاحاتی دارد چراکه در بعضی از نقاط ضعیف بود. اما نتیجه بدست آمده از آنالیز مودال تأثیرگذارتر بود چراکه در آنالیز مودال مشخص گردید که فرکانس طبیعی اول شیر مربوط به چرخش و نوسان کلگی شیر است و در ضمن مقدار این فرکانس 2026 هرتز بدست آمد - شکل . - 2 فرکانسهاي مهم تحریک جریان سیال معمولاً بین 800 تا 3000 هرتز میباشد. بنابراین فرکانس کلگی فوق ممکن است در عمل مشکلساز شود. در ضمن در بررسی بیشتر این نکته دیده شد که طرح شکل 1 ممکن است براي سوراخ کردن قسمت فوقانی بدلیل نصب آببند و کلاهک دچار مشکل شود و جسم با ایجاد سوراخ پیچها ضعیف شود.
با تغییر ابعاد فلنج و یا تقویت گلوگاه میتوان این مشکل را مرتفع نمود. بنابراین باتوجه به مسأله فرکانس کلگی شیر و سوراخ پیچهاي کلاهک طرح شماره 2 بجاي طرح شماره 1 قرارگرفت - شکل . - 3 طرح جدید شکل 3 مورد آنالیز مودال قرارگرفت و همان طوري که در شکل 4 نمایش داده شده است، در این طرح اولین فرکانس طبیعی 3643 هرتز است که مربوط به خمش لولههاي ورودي و خروجی سیال است. بنابراین در طرح جدید اشکال قبلی برطرف شد. درضمن میتوان دید که طرح جدید داراي ماده لازم در قسمت فوقانی براي سوراخهاي پیچهاي کلاهک میباشد.
-2-2 آنالیز تنش
شیرهاي ساختهشده در صنعت، براي آزمایش استحکام بدنه آنها تحت تست هیدرواستاتیک قرار میگیرند. معروفترین و بهترین استانداردها جهت انجام تستهاي هیدرواستاتیک شیرها، استاندارد ANSI/ISA-75.19.1 است. با مراجعه به این استاندارد براي شیر کلاس 1500، باتوجه به جنس WCC آن، فشار تست هیدرواستاتیک 388 بار تعیین شده است که لازم است که شیر تحت این فشار به مدت 4 دقیقه قرار گیرد .[3]
به همین منظور در تحلیل تنش براي شیر مورد مطالعه، فشار اعمالی بصورت فشار هیدرواستاتیک و به مقدار 388 بار اعمال میشود. از جمله معروفترین و اصلیترین استانداردهاي دیگر براي طراحی شیر، استاندارد ASME/ANSI B 16.34 است .[4] این استاندراد مواد مختلف به کاررفته در ساخت شیرها را دستهبندي میکند. سپس براساس دستهبندي صورتگرفته در هر کلاس کاري با توجه به دماي محیط، حداکثر فشار کاري را مشخص میکند. همچنین در این استاندارد روشهاي تست و بازرسی بعد از ساخت شیر مانند آزمونهاي التراسونیک، نفوذ سیال، رادیوگرافی و ذرات مغناطیسی بیان شده است.
در استاندارد ASME/ANSI B 16.34 در جدولی براي کلاسهاي مختلف و باتوجه به دسته جنس شیر یک مقداري را به عنوان حداقل ضخامت معرفی کرده است. براي شیر کلاس 1500 و جنس WCC این مقدار 0/66 اینچ است .[4] این مقدار به عنوان یک معیار در طراحی شیر همواره مدنظر قرار خواهدگرفت. به این معنی که در کلیه طراحیها حداقل ضخامت شیر از 0/66 اینچ 16/77 - میلیمتر - کمتر نمیباشد.
طرح شکل 3 با فشار 388 بار مورد تحلیل تنش قرار گرفت - شکل . - 5 در شکل 5 قسمتی مشخص شده است که مقدار تنش در آن ناحیه از 275 مگاپاسکال - تنش تسلیم - WCC بیشتر است. بنابراین نیاز است که این قسمت اصلاح یا تقویت شود. در ادامه بحث دیده خواهدشد که این قسمت بحرانیترین قسمت شیر تحت فشار هیدرواستاتیک است. در طرح بعدي محل بحرانی با افزایش ضخامت و تغییر در پروفیل نشیمنگاه اصلاح شد.
