高溫高壓閥門閥體的可靠性分析與研究

余煜哲，劉忠偉，鄧英劍

(湖南工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，湖南 株洲，412007)

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(yùn)輸、火電、核電、船舶、車輛、飛機(jī)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]。

1 高溫高壓閥的FMECA分析

以強(qiáng)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(qiáng)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[2-3]：

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(jìn)行分級與分類。

2)確定故障準(zhǔn)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(jìn)行劃分。

3)進(jìn)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(bǔ)償措施分析等。CA則是危害性分析，其通過故障發(fā)生的嚴(yán)重程度和故障發(fā)生的概率進(jìn)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(yán)重程度和其概率進(jìn)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(yán)重度(RES)等級，兩者的乘積就是其故障模式NRP的評分準(zhǔn)則，為

NRP=ROP×RES

風(fēng)險優(yōu)先數(shù)法是按照每個故障模式的風(fēng)險等級進(jìn)行排序，評分標(biāo)準(zhǔn)為見表1～3。

表1 故障嚴(yán)酷度類別(S)分析
Table 1 Fault severity classification(S)analysis

類別故障程度修復(fù)狀況Ⅰ類災(zāi)難故障無法修復(fù),造成大規(guī)模損失與傷亡Ⅱ類嚴(yán)重故障修復(fù)時間較長,可以修復(fù)Ⅲ類一般故障可修復(fù),需要修復(fù)一定時間Ⅳ類細(xì)微故障基本無影響,基本維護(hù)修理即可

表2 故障模式嚴(yán)重度等級ESR評分標(biāo)準(zhǔn)
Table 2 Failure mode severity level ESR scoring criteria

等級故障程度影響情況1輕微不會對系統(tǒng)產(chǎn)生影響,基本察覺不到2,3低可察覺,輕微的系統(tǒng)故障4,5,6中等直接造成系統(tǒng)性能的下降的故障7,8高造成系統(tǒng)或子系統(tǒng)功能中斷9,10非常高引起生命、財產(chǎn)損失的嚴(yán)重故障

表3 OPR評分準(zhǔn)則
Table 3 OPR scoring guidelines

等級發(fā)生概率故障模式概率參考值/%1基本不發(fā)生極低的發(fā)生概率 <0.12,3很少發(fā)生 較低的發(fā)生概率 0.1～1.04,5,6偶爾發(fā)生 中等的發(fā)生概率 1～107,8時常發(fā)生 較高的發(fā)生概率 10～209,10經(jīng)常發(fā)生 非常高的發(fā)生概率20

2 FMECA應(yīng)用于高溫高壓閥

如圖1所示，該圖為高溫高壓閥門，該閥門采用的是球閥與錐閥的雙密封凸輪傳動結(jié)構(gòu)。在閥門開啟關(guān)閉時，球閥受到介質(zhì)壓力的沖擊，長久以往會致使球閥發(fā)生變形與損傷，從而導(dǎo)致泄漏。錐閥在閥門關(guān)閉時，與閥座的碰撞也會導(dǎo)致?lián)p傷，導(dǎo)致配合度下降，密封性降低。

1、5—高壓密封墊；2—閥座；3—籠套；4—閥芯；6—下截止閥桿；7—上截止閥桿；8—主動齒輪；9—主動凸輪；10—手輪； 11—被動凸輪；12—上球閥桿；13—離合器；14—被動齒輪；15—轉(zhuǎn)接套；16—下球閥桿；17—球體；18—閥體圖1 高壓閥門結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structural drawing of a high pressure valve

2.1 系統(tǒng)任務(wù)分析

此高溫高壓閥門主要調(diào)節(jié)氣壓系統(tǒng)，介質(zhì)為氣體，其材料主要為25號鋼。主要工作通道直徑為30 mm，內(nèi)部工作壓力為17 MPa，保證有超過10 000次的使用壽命。

2.2 系統(tǒng)可靠框圖的建立

高壓閥門與大多數(shù)機(jī)械的組成系統(tǒng)相同，由圖1可知：系統(tǒng)主要由18個零件組成，并且每個系統(tǒng)都是機(jī)械串聯(lián)系統(tǒng)，有很高的可靠度要求，只要有1個零件無法正常工作，整個系統(tǒng)也將受到影響從而無法正常工作。在保證零件都能夠正常工作的前提下，將系統(tǒng)簡化為串聯(lián)模型有利于閥門系統(tǒng)可靠性的研究，可靠性框圖如圖2所示。

圖2 高溫高壓閥結(jié)構(gòu)可靠性框圖Fig.2 The block diagram of structure reliability for the high temperature and high pressure valve

圖2中R1、R2到R18為單元的18個可靠性，則Rs=R1∩R2…∩R18，在研究中，假設(shè)Ri相互獨(dú)立，則有P(RS)=P(R1)×P(R2)×…×P(R18)。

(1)

2.3 FMECA分析表格

因為失效常發(fā)生于主要承受壓力部件，緊固件等非承載原件不予考慮，所以，主要是對主要部件進(jìn)行分析。部分重要零部件失效影響因素如表4所示[4]。

表4 高溫高壓閥結(jié)構(gòu)的FMECA分析表
Table 4 FMECA analysis table for high temperature and high pressure valve structure

代碼零件功能故障模式故障原因故障影響局部影響高一層次影響最終影響嚴(yán)酷度設(shè)計改進(jìn)措施危害度閥體開裂高溫高壓疲勞導(dǎo)致、流體的 沖刷 閥門內(nèi)損 管道泄漏 大規(guī)模泄漏, 造成重大損失Ⅰ更換抗性更高的材料 3601閥體 閥門主體泄漏 密封圈老化、 墊片配合度不夠 關(guān)閉不嚴(yán)、 內(nèi)漏 閥門失效 大規(guī)模泄漏, 造成重大損失Ⅲ定期更換 21閥體連接處脫落擰緊力矩太小外漏 閥門失效 大規(guī)模泄漏, 造成重大損失Ⅲ更換強(qiáng)度大的螺栓螺母型號1402閥桿 帶動閥芯上下運(yùn)動斷裂,磨 損強(qiáng)度、硬度不 夠、振動 啟閉裝置無法正常運(yùn)作閥門失效 系統(tǒng)無法運(yùn) 作,工作停滯Ⅲ增加抗壓強(qiáng)度或者更換更適合的材料 2103籠套 節(jié)流 堵塞、老化、磨損顆粒物增多且摩擦過大 啟閉裝置無法正常運(yùn)作閥門失效 系統(tǒng)故障 Ⅲ及時更換 1404密封墊 緊貼閥體和閥芯起密封作用磨損、老化、有雜物介質(zhì)的腐蝕及機(jī)械磨損、閥 門內(nèi)腔不干凈密封面泄漏管道內(nèi)泄漏關(guān)閉不嚴(yán) Ⅱ定期更換 32

2.4 FMECA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(jìn)行分析，對各個部位的故障影響進(jìn)行分級，并且提出了具體的解決方案和改進(jìn)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(dāng)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(jìn)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(yán)酷度對其主要故障部位進(jìn)行維修與維護(hù)。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(jìn)行可靠性分析[5-6]。

3 閥體的可靠度分析計算

3.1 應(yīng)力-強(qiáng)度模型可靠度的計算方法

機(jī)械零件的可靠性分析通常是以應(yīng)力-強(qiáng)度模型的計算方法為基礎(chǔ)的，零件的失效也取決于受到的極限應(yīng)力是否大于其允許的強(qiáng)度，若大于則會發(fā)生失效[7]。而在實際工作中，閥體所受的極限應(yīng)力與環(huán)境帶來的應(yīng)力均為隨機(jī)變量，并且呈現(xiàn)正態(tài)分布。從如圖3所示的應(yīng)力-強(qiáng)度分布干涉模型可見：隨著時間的不斷增加，衰弱曲線單調(diào)遞減。而應(yīng)力的分布與強(qiáng)度的變化則是隨機(jī)變化的，故其干涉區(qū)(陰影部分)也是隨著時間不斷變化的[8-9]。

圖3 應(yīng)力-強(qiáng)度分布干涉模型Fig.3 Stress-strength interference model

由干涉理論可知“強(qiáng)度大于應(yīng)力的概率P”為可靠度。R(t)=P(δ>S)=P(δ-S>0)=P(δ/S>1)，要滿足此式則能保證零件不會失效。如圖3所示，在時間為t0時，兩分布間有一定的安全裕度；隨著時間推移，強(qiáng)度逐漸退化，導(dǎo)致在時間t1時兩分布發(fā)生干涉，既而產(chǎn)生失效[10]。求得零件或元件的可靠度表達(dá)式：

R=P(δ>s)=

(2)

式中：S為工作應(yīng)力；δ為零件強(qiáng)度；f(s)為應(yīng)力分布概率密度函數(shù)；g(δ)為強(qiáng)度分布的概率密度函數(shù)。

當(dāng)應(yīng)力和強(qiáng)度都服從正態(tài)分布時，式(2)有解析解：

(3)

式中，ZR為聯(lián)結(jié)系數(shù)，也稱可靠性系數(shù)

μs和μδ分別為應(yīng)力S的均值和標(biāo)準(zhǔn)差；σs和σδ分別為強(qiáng)度δ的均值和標(biāo)準(zhǔn)差。

3.2 閥體強(qiáng)度可靠度的分析與計算

σδ=0.07×308=21.56(MPa)

(4)

高壓閥門閥體內(nèi)部為管道流通，為了便于計算，將內(nèi)部工作部分近似認(rèn)為是壁厚均勻的受內(nèi)壓容器，其直徑偏差Δd控制在0.01d內(nèi)，如圖4閥體結(jié)構(gòu)簡圖可知其工作通道d=30 mm。

圖4 閥體結(jié)構(gòu)簡圖Fig.4 Geometric diagram of the valve body

已知一般的受到內(nèi)壓的容器直徑偏差Δd必須控制在0.01d以內(nèi)，故本工作通道d=30 mm，按尺寸偏差計算公式得：Δd=0.01d=0.3mm，根據(jù)3σ原則，有Δd=3σd，故

所以，

(5)

已知高溫高壓閥門的工作介質(zhì)壓力為17 MPa，在一般工作狀態(tài)下取閥內(nèi)介質(zhì)壓力波動的變異系數(shù)為VP=0.05，則有μP=17 MPa，σP=VPμP=0.85 MPa。

(6)

閥體壁厚的計算公式為

(7)

由公式(7)有

(8)

式中：t為閥體工作區(qū)域壁厚，mm；d為閥體內(nèi)徑，mm；p為承受的壓力，MPa；φ為焊接頭系數(shù)。

在結(jié)構(gòu)合理的情況下，確保焊接頭是100%無損的情況下，焊接頭系數(shù)一般取1[16]。由公式(8)得

(9)

所以有

σs=Vsμs=0.0511×28.9=1.4768(MPa)

查正態(tài)分布表可得其閥體強(qiáng)度可靠度R=1。

4 結(jié)論

1)根據(jù)高溫高壓閥門的結(jié)構(gòu)與工況對其進(jìn)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。