高溫高壓實驗用特種閥門的熱應力分析

劉笑林

摘要：隨著我國經濟在快速發(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力分布。選取4種材料對比分析熱傳導系數、熱膨脹系數、彈性模量對溫度和應力分布的影響。對閥門的密封結構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，閥門溫度和應力隨熱傳導系數和熱膨脹系數的降低以及彈性模量的增大而減小。

關鍵詞：高溫高壓閥門;有限元;溫度場;應力場

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，反應系統溫度高達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。我公司經組織工藝攻關，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。強度性能是指在閥門中的各個零件承受的介質壓力的能力，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泄漏的能力，主要是閥芯和閥座之間的配合關系，閥桿與填料之間的密封，閥體與閥蓋的連接?？傮w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。對其系統組成、復雜程度、技術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，確定其復雜程度，分析其復雜性并進行劃分。3）進行故障模式影響分析。FMECA分為FMEA與CA，FMECA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，相關人員需要詳細了解閥門結構和閥門概況，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，其結構以及形狀等都相差無幾。對鑄件外表進行觀察，發(fā)現其由3個圓環(huán)形管道組成，所以其外形為三通管狀。相關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。軸向相同的管道都設置了法蘭，另一管道管口內壁厚度尺寸較大。這些管道的管口都為加工完畢的產品。3個管道的內外徑尺寸都相同，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，但以目前的鑄造工藝來講，要實現目的還是有一定難度的。在鑄造工藝設計環(huán)節(jié)，相關人員還要考慮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。標準的CF8C材質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生氧化鉻膜、冷隔、表面皺皮和夾雜等現象。為解決CF8C材質冶煉過程中存在的問題，得到合格的化學成分，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的成分調整控制到鋼液重量的1.0%～1.5%，Ni的成分調整控制到鋼液重量的9.5%～10.5%，計算鋼液成分鉻碳質量比，確定吹氧溫度（1705～1835℃），當爐內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

可以將高溫高壓閥視為一個系統，它由閥體、閥桿、籠套等系統組成。根據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，加上在內部壓力的作用下，閥門的配合度和磨損都會導致泄漏現象發(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，容易導致設備產生故障。系統中發(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。

結語

1）根據高溫高壓閥門的結構與工況對其進行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）高壓閥門閥體結構的可靠度為1。在工作通道中，工作壓力為恒定17MPa，本文為了便于計算，將內部結構做了簡化，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

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