高溫高壓實驗用特種閥門的熱應(yīng)力分析

劉笑林

摘要：隨著我國經(jīng)濟在快速發(fā)展，社會在不斷進步，我國綜合國力顯著加強，為了適應(yīng)大型水流體-固體相互作用實驗裝置超高溫（600℃）、超高壓（100MPa）的極端工作環(huán)境，保證閥門安全有效，以高溫高壓截止閥為研究對象，通過SolidWorks設(shè)計建立三維有限元模型，運用Ansys軟件分析該閥門在實際工況下的溫度和應(yīng)力分布。選取4種材料對比分析熱傳導(dǎo)系數(shù)、熱膨脹系數(shù)、彈性模量對溫度和應(yīng)力分布的影響。對閥門的密封結(jié)構(gòu)和性能進行說明討論。研究認為，選用鎳基合金材料作為制作材料，閥門能夠在高溫環(huán)境下保持足夠強度，并且滿足實驗裝置的超高溫、超高壓工作環(huán)境的使用要求。在一定范圍內(nèi)，閥門溫度和應(yīng)力隨熱傳導(dǎo)系數(shù)和熱膨脹系數(shù)的降低以及彈性模量的增大而減小。

關(guān)鍵詞：高溫高壓閥門;有限元;溫度場;應(yīng)力場

引言

中石化閥門零件工作環(huán)境具有高溫、高壓和臨氫（并含有硫化氫）特點，其壓力一般為14～25MPa，反應(yīng)系統(tǒng)溫度高達400℃左右，這些特點要求閥門鑄件必須采用高強度、耐磨、耐腐蝕的材質(zhì)制造，且鑄件不能有夾雜、夾渣、氣孔、縮松、裂紋等鑄造缺陷。我公司經(jīng)組織工藝攻關(guān)，采用先進的鑄造和冶煉工藝，制造的閥門鑄件完全滿足客戶要求。

1高溫高壓閥的FMECA分析

以強度性能、密封性和總體動作性能作為高溫高壓閥可靠性的依據(jù)。強度性能是指在閥門中的各個零件承受的介質(zhì)壓力的能力，對于高溫高壓閥而言主要部位為閥體、閥芯。密封性是指高溫高壓閥各個密封部位阻止介質(zhì)泄漏的能力，主要是閥芯和閥座之間的配合關(guān)系，閥桿與填料之間的密封，閥體與閥蓋的連接。總體動作性能主要包括閥門動作速度、靈敏度和動作穩(wěn)定度，有無振動與噪聲等。FMECA方法的分析步驟如下：1）確定分析的范圍并熟悉整個系統(tǒng)。對其系統(tǒng)組成、復(fù)雜程度、技術(shù)成熟度以及制造工藝流程和工作環(huán)境等進行分級與分類。2）確定故障準則與確定分析層次。判斷故障的層次，確定其復(fù)雜程度，分析其復(fù)雜性并進行劃分。3）進行故障模式影響分析。FMECA分為FMEA與CA，F(xiàn)MECA包括故障的模式、原因、影響、檢測方法以及補償措施分析等。CA則是危害性分析，其通過故障發(fā)生的嚴重程度和故障發(fā)生的概率進行評估。一般性CA分為定性分析和定量分析2種方法。4）繪制系統(tǒng)可靠性圖并列出故障類型并分析其影響。5）危害性分析。這是一種集故障的發(fā)生嚴重程度和其概率進行分類的綜合性分類方式，能夠有效地評價各個故障模式的影響，其中CA也分為定性與定量2種分析法，即故障模式發(fā)生度（ROP）與嚴重度（RES）等級，兩者的乘積就是其故障模式NRP的評分準則，為NRP=ROP×RES。

2制造工藝

2.1鑄造工藝分析

在閥門鑄件鑄造之前，相關(guān)人員需要詳細了解閥門結(jié)構(gòu)和閥門概況，如其毛坯重量、形狀、尺寸等。在這種高溫高壓閥門鑄件類型中，其結(jié)構(gòu)以及形狀等都相差無幾。對鑄件外表進行觀察，發(fā)現(xiàn)其由3個圓環(huán)形管道組成，所以其外形為三通管狀。相關(guān)人員要對管道的中心線進行檢查，看其是否處于同一平面內(nèi)。軸向相同的管道都設(shè)置了法蘭，另一管道管口內(nèi)壁厚度尺寸較大。這些管道的管口都為加工完畢的產(chǎn)品。3個管道的內(nèi)外徑尺寸都相同，所以閥門整體看來比較均勻。圓環(huán)形管是鑄件工藝的主要作用對象，在鑄造時相關(guān)人員需要使所有的圓環(huán)形管同心度相同，控制每個管道的壁厚，使其公差在允許范圍內(nèi)，但以目前的鑄造工藝來講，要實現(xiàn)目的還是有一定難度的。在鑄造工藝設(shè)計環(huán)節(jié)，相關(guān)人員還要考慮3個管道的同時補縮事項。

2.2冶煉工藝

CF8C材質(zhì)因在高溫高壓環(huán)境使用時變形小，強度大，耐磨耐腐蝕，一般被選用為閥門材質(zhì)。標準的CF8C材質(zhì)成分要求硫磷含量分別為S≤0.040%、P≤0.040%，硫磷含量較高。硫含量高，閥門使用中硫與氫形成硫化氫，硫化氫常溫下可引起金屬材料的應(yīng)力腐蝕開裂，高溫高壓下能引起金屬材料的快速均勻腐蝕，不能滿足閥門高溫高壓環(huán)境使用要求。為滿足高溫高壓閥門使用要求，將有害元素硫含量嚴格控制在0.015%以下，有害元素磷含量控制在0.020%以下。CF8C材質(zhì)合金元素含量較高，碳含量較低，硫、磷含量低，電弧爐返回吹氧法冶煉過程中主要存在以下問題：冶煉過程中合金元素燒損嚴重;冶煉時間較長;爐襯燒損嚴重。澆注過程中鋼液表面易產(chǎn)生氧化鉻膜、冷隔、表面皺皮和夾雜等現(xiàn)象。為解決CF8C材質(zhì)冶煉過程中存在的問題，得到合格的化學(xué)成分，主要采用以下措施。配料：90%的爐料采用本鋼種高合金鋼返回料，在裝料前爐底加入鋼液重量1.0%～1.5%的FeSi，配入Ni到中上線。熔化期：當爐料熔清后，鋼液的溫度≥1600℃時，根據(jù)爐渣情況，判斷是否放渣，保證吹氧脫碳在薄渣下進行。氧化期：取試樣分析鋼液成分，將Si的成分調(diào)整控制到鋼液重量的1.0%～1.5%，Ni的成分調(diào)整控制到鋼液重量的9.5%～10.5%，計算鋼液成分鉻碳質(zhì)量比，確定吹氧溫度（1705～1835℃），當爐內(nèi)鋼液溫度滿足要求時，將吹氧壓力提高至1.5～1.8MPa，用兩根吹氧管連續(xù)吹氧18～22min，觀察爐膛氣氛、吹氧火焰的顏色，再次取樣分析鋼液成分，將C的成分調(diào)整控制到≤鋼液重量的0.03%。還原期：在脫氧良好的白渣情況下補加Fe-Cr合金，及時攪拌鋼液，把露于渣面上的固體Fe-Cr合金塊推入鋼液中，分批次加入還原劑回收渣中的Cr，當加入的合金露于渣面上時，采用電壓210V、電流10kA的供電方式;如合金埋入渣面下時則采用電壓180V，電流8kA的供電方式，還原期嚴禁短弧操作，電極下降要同步。

2.3FMECA分析總結(jié)

可以將高溫高壓閥視為一個系統(tǒng)，它由閥體、閥桿、籠套等系統(tǒng)組成。根據(jù)FMECA分析表可知其主要失效部位為閥體、籠套、閥桿，對其故障模式和故障原因進行分析，對各個部位的故障影響進行分級，并且提出了具體的解決方案和改進措施。綜合以上的分析得出最終的FMECA分析表格，由于引入了危害性分析，故能實現(xiàn)對閥門的失效模式各個不同影響的評估。在這幾種失效模式當中，泄漏主要是高溫高壓閥門主要的失效模式，因為閥門長期進行開閉工作，加上在內(nèi)部壓力的作用下，閥門的配合度和磨損都會導(dǎo)致泄漏現(xiàn)象發(fā)生。為了保證高溫高壓閥門能夠正常平穩(wěn)地工作，需要根據(jù)表4中嚴酷度對其主要故障部位進行維修與維護。閥門中的各個系統(tǒng)失效率都不相同，對于一些失效率較低的部位，在日常工作中不注意常見故障與消除方法，容易導(dǎo)致設(shè)備產(chǎn)生故障。系統(tǒng)中發(fā)生失效部位很多，但本文只對其最主要失效部位閥體進行可靠性分析。

結(jié)語

1）根據(jù)高溫高壓閥門的結(jié)構(gòu)與工況對其進行FMECA分析，可以確定高溫高壓閥門在工作過程中的主要失效部位為閥體、籠套、閥桿等，發(fā)現(xiàn)并列舉出其影響可靠性的因素，將其消除在早期階段。2）高壓閥門閥體結(jié)構(gòu)的可靠度為1。在工作通道中，工作壓力為恒定17MPa，本文為了便于計算，將內(nèi)部結(jié)構(gòu)做了簡化，故閥體的可靠度具有一定的余度，具備可靠的工作能力，從閥體的角度來看，它是安全、可靠的。

參考文獻

[1]張龍.高溫高壓閥門鑄件制造工藝及應(yīng)用[J].化工中間體，2016，11（10）：11-12.

[2]蔣春宏，陳永麗.高溫高壓閥門鑄件制造工藝及應(yīng)用[J].鑄造，2016，64（3）：243-246.

[3]張懷嵩.ZGCr5Mo高溫高壓閥門鑄件的生產(chǎn)[J].鑄造技術(shù)，2017（3）：242.

[4]徐鵬樹，王永山.高溫高壓臨氫閥門制造工藝的分析[J].閥門，2012（2）：18-19.