高溫高壓閥門鑄件制造工藝分析

陳首岐

摘要：在我國進(jìn)入21世紀(jì)的新時期，我國的市場經(jīng)濟在快速發(fā)展，社會在不斷進(jìn)步，高溫高壓閥門鑄件與普通閥門的制造工藝流程和要求均不相同，前者的制造過程系統(tǒng)性、復(fù)雜性更強，制造時相關(guān)人員應(yīng)提前明確技術(shù)要求，做好工藝落實監(jiān)督工作，使鑄件質(zhì)量滿足客戶要求和閥門應(yīng)用環(huán)境要求。普通閥門鑄件制造中需要用到鑄造工藝和冶煉工藝，還會借助電弧爐返回吹氧法。無論采取哪種工藝，相關(guān)人員都要遵循制造要求，按照鑄造流程落實工藝。

關(guān)鍵詞：高溫高壓;閥門鑄件;制造工藝

引言

高壓閥門在超硬質(zhì)材料制造、化學(xué)工業(yè)、石油化工、水利系統(tǒng)、天然氣運輸、火電、核電、船舶、車輛、飛機等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用，隨著發(fā)展速度越來越快，我國對閥門的需求量也是日益增多，閥門一旦失效就會造成不可挽回的后果，故可靠性在閥門研究當(dāng)中具有重要地位。一般而言，高壓閥門常年處在高溫、高壓工況下，工作一定時間后就很容易發(fā)生泄漏、卡滯和振動等失效現(xiàn)象。為了發(fā)現(xiàn)影響可靠性降低的因素，利用FMECA分析方法將故障模式、影響以及危害性按照風(fēng)險等級進(jìn)行排序，將危險消除在早期階段，并且將對閥體主要的失效部位進(jìn)行可靠度分析，這對高溫高壓閥門閥體產(chǎn)品的設(shè)計具有重要意義。

1有限元分析

在工程中，當(dāng)物體各部分溫度發(fā)生變化時，物體將由于熱變形而產(chǎn)生應(yīng)變，當(dāng)物體由于約束或出現(xiàn)溫度不均勻時，熱變形受到影響，則會在物體內(nèi)產(chǎn)生熱應(yīng)力。熱應(yīng)力問題實際上是熱和應(yīng)力兩個物理場之間的相互作用，屬于耦合場問題。使用Ansys軟件對閥門實際工況進(jìn)行耦合場分析常使用間接法，先進(jìn)行熱分析，然后將求得節(jié)點溫度作為載荷施加到結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析模塊中。根據(jù)結(jié)構(gòu)尺寸，在SolidWorks2014中建立閥門三維實體模型，并通過SolidWorks與Ansys結(jié)合將文件直接導(dǎo)入Ansys中完成有限元模型的建立。

2.1穩(wěn)態(tài)熱分析

結(jié)合實際情況，對閥門進(jìn)行熱力學(xué)分析主要考慮熱傳遞與熱對流兩個方面。對于穩(wěn)態(tài)熱傳遞過程中，物體的溫度不隨時間變化，系統(tǒng)處于熱平衡狀態(tài)，即流入系統(tǒng)的熱能與系統(tǒng)內(nèi)生成的熱能等于流出系統(tǒng)的熱能，相應(yīng)的有限元平衡方程為：[K]{I}={Q}式中：[K]為傳導(dǎo)矩陣，包括導(dǎo)熱系數(shù)，對流系數(shù)、輻射系數(shù)和形狀系數(shù);{I}為節(jié)點溫度向量;{Q}為節(jié)點熱流向量，包含熱生成。在本文描述情境下，熱-結(jié)構(gòu)耦合分析過程分為3步：1）分析閥門工作環(huán)境下溫度場;2）將溫度場等效為節(jié)點載荷載入結(jié)構(gòu)分析模型中;3）結(jié)合熱載荷與實際載荷進(jìn)行耦合分析。由于閥門所應(yīng)用實驗裝置的介質(zhì)溫度可達(dá)600℃，出于減輕閥桿密封面處熱應(yīng)力以及保證介質(zhì)保溫的考慮，閥體整體也處于600℃高溫中，支撐桿及以上部分對流換熱系數(shù)取5×10-6W/（mm2·℃）。

2.2鑄造工藝設(shè)計

鑄造工藝需要解決的難題有很多，相關(guān)人員要著重做好以下設(shè)計。一是鑄件收縮率。鑄件在應(yīng)用中有可能會發(fā)生收縮，相關(guān)人員要將該收縮現(xiàn)象控制在一定范圍內(nèi)，使其不會影響鑄件的功能發(fā)揮程度。基于此，應(yīng)明確鑄件收縮率。該參數(shù)確定時，還要考慮材料材質(zhì)、鑄件結(jié)構(gòu)等因素，最終內(nèi)外腔縮尺采用參數(shù)分別為2%，1.50%。二是分型面。有效選擇分型面，解決環(huán)形管道同時補縮難題。將分型面作為所有管道中心線匯集位置，在設(shè)計中，相關(guān)人員需要找到管道中心，中心延長線匯集位置便是分型面。在分型面作用下，整體鑄件會分成均勻的兩部分。該平面的截面積最大，相關(guān)人員還要對軸向中心線匯集位置進(jìn)行檢查，看其是否只有一個平面。在鑄造中，相關(guān)人員要控制砂芯使用量，這可以避免披縫的產(chǎn)生。三是澆注系統(tǒng)。澆筑方式為底注式，相關(guān)系統(tǒng)設(shè)計也要符合底注式要求。主要對澆道和澆口等進(jìn)行設(shè)計，在澆道方面，要保證其抗腐蝕能力以及穩(wěn)定性，如此其才能安全承受金屬液帶來的影響，避免出現(xiàn)各種缺陷。橫澆道還要起到阻攔金屬渣的作用，在設(shè)計時，應(yīng)避免其阻塞型腔氣體排放。澆注系統(tǒng)要保證充型效果，還需要解決金屬鉻帶來的影響，主要對其帶來的冷隔、皺皮現(xiàn)象進(jìn)行改善。還要處理鉻元素產(chǎn)生的氧化膜。此外還要對澆筑時間、鋼液的質(zhì)量流率、包孔直徑進(jìn)行設(shè)計和控制，使其滿足鑄鋼件質(zhì)量要求。在這些參數(shù)中，包孔直徑會與鋼液質(zhì)量流率之間互相產(chǎn)生影響，相關(guān)人員還要在數(shù)次實驗中，通過數(shù)據(jù)、總結(jié)規(guī)律，分析兩者關(guān)系。最后還要對組元截面積進(jìn)行準(zhǔn)確計算，使?jié)沧⑾到y(tǒng)的尺寸滿足要求。

2.3密封性能及討論

壓力容器的密封性能與系統(tǒng)剛度分布、密封面尺寸和工藝處理有關(guān)。高溫高壓閥門主要考慮的密封區(qū)域一般在密封連接處與密封面上。本文中的閥門采用的高壓管道連接方式是液壓中高壓和高溫連接行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)形式，可以保證反復(fù)拆裝;密封面采用錐面密封，密封性能好，閥桿使用透鏡密封墊和石墨密封填料共同作用，以滿足密封要求。在實際使用中，由于介質(zhì)壓力較大，閥門手輪的預(yù)擰緊力也較大，若能減小閥體內(nèi)部通道直徑則可以有效減小作用在閥桿上的密封力，操作手輪啟閉閥門將更加省力。

2.4鑄造工藝設(shè)計

（1）鑄件收縮率的確定。該鑄件選用的CF8C材質(zhì)屬于奧氏體不銹鋼，在受阻收縮的請況下，結(jié)合鑄件結(jié)構(gòu)形狀，鑄件外腔縮尺采用2.0%，內(nèi)腔縮尺采用1.5%。（2）分型面選擇。閥門要求各管道中心線在同一平面上，各環(huán)形管道補縮較困難，因此，以三個管口的中心所在平面為分型面，將鑄件分為上下兩半。分型面的選擇經(jīng)過閥門鑄件各管口的中心，使分型面所在的平面為閥門鑄件的最大截面，保證閥門鑄件各管口軸向中心線在同一平面上，減少鑄造砂芯的使用，減少了下芯合箱裝配偏差，避免澆注后形成披縫，提高了閥門鑄件各部位相對尺寸精度和表面質(zhì)量，造型較方便簡單。（3）澆注系統(tǒng)設(shè)計。閥門鑄件澆注系統(tǒng)采用底注式澆注系統(tǒng)。底注式澆注系統(tǒng)內(nèi)澆道基本上在淹沒狀態(tài)下工作，充型平穩(wěn)，可避免金屬液發(fā)生激濺、氧化及由此而形成的鑄件缺陷;無論澆口比是多大，橫澆道基本工作在充滿狀態(tài)下，有利阻渣，型腔內(nèi)的氣體容易順序排出。CF8C材質(zhì)合金元素Cr含量較高。Cr熔點高，使鋼液液相線溫度上升，降低鋼液流動性，澆注過程中易產(chǎn)生冷隔、表面皺皮等現(xiàn)象。Cr在鋼液中易氧化形成氧化鉻膜，充型紊亂時易產(chǎn)生氧化夾雜。澆注系統(tǒng)設(shè)置時應(yīng)充分考慮以上因素，保證充型快速、平穩(wěn)。（a）澆注時間。根據(jù)鑄件的液重可以按表4查出鑄件的大致澆注時間，結(jié)合生產(chǎn)實際確定鑄件的澆注時間。該閥門液重為9350kg，根據(jù)表4查出澆注時間在40～150s。為保證快速平穩(wěn)充型，結(jié)合生產(chǎn)實際，澆注時間選擇t=105s。

結(jié)語

通過多種高溫金屬材料制造的閥門在實際工況條件下的應(yīng)力場和溫度場模擬仿真比較，篩選出熱傳導(dǎo)系數(shù)與熱膨脹系數(shù)較低，并且在高溫環(huán)境下仍有足夠強度的高溫鎳基合金材料GH4033作為閥門主體材料。對閥門進(jìn)行基于Ansys的熱固耦合應(yīng)力分析，閥門在工作過程中的最大應(yīng)力皆在材料容許范圍內(nèi)，能夠滿足使用要求。同時也注意到針對高溫高壓閥門設(shè)計時尤為關(guān)注的密封問題，依然會受到現(xiàn)階段的材料工藝限制，且為了保證高壓設(shè)備的安全性，設(shè)計的結(jié)構(gòu)安全裕量較大，結(jié)構(gòu)尺寸也偏大，閥門的制造成本比較高昂，這些問題仍是現(xiàn)階段制作高溫高壓閥門需要重點考慮的問題。

參考文獻(xiàn)

[1]王慧媛，鄭海飛.高溫高壓實驗及原位測量技術(shù)[J].地學(xué)前緣，2009（1）：17-26.

[2]李勝斌.高溫高圍壓差應(yīng)力下水流體-固體相互作用實驗裝置的研制[D].北京：中國科學(xué)院大學(xué)（博士論文），2017.

[3]李勝斌，李和平，李濤，等.一種在高壓水熱環(huán)境下鈦合金力學(xué)性能試驗裝置和方法[P].中國專利：107091781A，2017.