高溫閥門的研究進展*

林振浩，錢錦遠，李文慶，金志江

(浙江大學(xué) 化工機械研究所，浙江 杭州 310027)

0 引 言

國內(nèi)工業(yè)生產(chǎn)中，一般將工作溫度超過425 ℃的閥門稱為高溫閥門[1]，包括高溫閘閥、高溫截止閥、高溫止回閥、高溫球閥、高溫蝶閥、高溫針閥、高溫節(jié)流閥和高溫減壓閥等。其中，高溫閘閥、高溫截止閥、高溫止回閥、高溫球閥和高溫蝶閥使用較為普遍[2]。隨著現(xiàn)代科技的快速發(fā)展，工業(yè)裝備日趨高參數(shù)化和大型化，尤其在火電/核電、航空航天、石油化工等領(lǐng)域，各種高溫高壓等復(fù)雜工況機組不斷出現(xiàn)，所涉及的管路系統(tǒng)或裝置越來越復(fù)雜，因此，高溫閥門的應(yīng)用越來越廣泛[3-5]。閥門在各類管網(wǎng)中具有“咽喉”之稱，其質(zhì)量和性能問題常導(dǎo)致泄露、停車等重大問題，嚴(yán)重威脅工業(yè)生產(chǎn)的正常開展和操作人員的生命安全。因此，對閥門安全可靠性的關(guān)注日益突出。

本文總結(jié)高溫閥門的結(jié)構(gòu)改進技術(shù)，探討高溫閥門結(jié)構(gòu)強度的研究現(xiàn)狀，以期為高溫閥門的設(shè)計研究提供一定的工程借鑒。

1 高溫閥門的結(jié)構(gòu)設(shè)計研究

高溫閥門的結(jié)構(gòu)設(shè)計研究，主要需要考慮在原有材料基礎(chǔ)上對運動部件和密封部件的結(jié)構(gòu)進行改進。

1.1 運動部件結(jié)構(gòu)改進

高溫閥門與常溫閥門不同，受高溫流體的作用，閥門內(nèi)外存在非均勻溫度場，材料極易發(fā)生熱膨脹而引起閥門各部件尺寸的不均勻變化，這種變化使得閥門內(nèi)運動部件間的配合間隙減小，導(dǎo)致運動部件發(fā)生卡死、擦傷等現(xiàn)象。例如LI等[6]采用二維有限元法對高溫流量控制閥進行了熱應(yīng)力分析，發(fā)現(xiàn)溫度較高部件的熱變形要大于溫度較低部件的熱變形。WU等[7]采用SIMPLEC算法對傳統(tǒng)高溫排氣閥進行了熱力分析，發(fā)現(xiàn)了閥芯與閥座之間的熱變形值大于配合間隙最大值，導(dǎo)致閥芯與閥座之間摩擦力增大，接觸面粗糙度增大，致使排氣閥在工作時失靈。

調(diào)整結(jié)構(gòu)形式是當(dāng)下解決閥門運動部件因高溫而發(fā)生卡死、擦傷等問題的主流手段。

為防止溫度升高引起的蝶板密封面徑向尺寸受熱脹大的發(fā)生，避免碟板與閥體之間發(fā)生卡死的問題，吳尖斌等[8]提出了新型五桿式偏擺連桿蝶閥，其蝶閥結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 五桿式偏擺連桿結(jié)構(gòu)蝶閥1—吹掃口；2—閥桿；3—調(diào)節(jié)桿；4—套桿；5—驅(qū)動桿；6—邊桿；7—固定桿；8—蝶板；9—閥體；10—液壓執(zhí)行機構(gòu)

蝶板的啟閉過程如圖2所示。

圖2 五桿式偏擺連桿結(jié)構(gòu)蝶閥蝶板的啟閉過程

這種新型五桿式偏擺連桿蝶閥有效地解決了蝶閥的高溫?zé)崤蛎浺Ш蠁栴}。

為防止閥桿和球體長時間在超高溫工況下工作而發(fā)生變形，蘇荊攀等[9]在球體內(nèi)增設(shè)了冷卻腔，通過閥桿內(nèi)的通孔給球體輸送冷卻液來達到球體冷卻降溫的效果。為了防止高溫閥門內(nèi)閥芯卡死而無法正常工作的問題發(fā)生，潘蓉蓉在專利中[10]提出了一種新型高溫高壓截止閥，閥體外部設(shè)置了散熱部，散熱部上開設(shè)了散熱孔，使得閥體和閥芯等部件溫度降低了20 ℃～30 ℃，減小了部件的熱膨脹量。

目前，針對高溫工況下各部件的不均勻熱膨脹問題所做的研究是在原有材料基礎(chǔ)上對高溫閥門的運動部件進行結(jié)構(gòu)改進，缺乏對部件材料或熱處理工藝的研究，尤其是通過改善熱處理工藝或材料本身使得部件達到或接近受熱均勻膨脹，是未來研究的重點。

1.2 密封部件結(jié)構(gòu)改進

高溫閥門的密封結(jié)構(gòu)極易受到高溫?zé)崤蛎浀挠绊?，使其密封性能不足，主要表現(xiàn)為預(yù)緊力發(fā)生變化。王軼等[11]研究了溫度變化對法蘭密封性能的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)螺栓的熱膨脹大于法蘭墊片系統(tǒng)的熱膨脹時，會導(dǎo)致預(yù)緊力的下降，當(dāng)預(yù)緊力低于體系的密封要求時，則會影響到法蘭的密封性能。毛劍鋒等[12]研究了汽輪機進汽閥U型密封的高溫性能，結(jié)果表明，隨著承受高溫時間的積累，U型密封上的接觸區(qū)域變得越來越寬，而接觸應(yīng)力的幅值越來越小。

U型密封接觸應(yīng)力分布如圖3所示。

趙廣宇[13]針對高溫工況下的金屬密封球閥閥座與閥體之間的密封預(yù)緊力不足或者過大的問題提出了加載彈簧預(yù)緊的結(jié)構(gòu)，確保在預(yù)緊力不足時，常溫下閥體與閥座間的密封不泄漏；預(yù)緊力偏大時，熱態(tài)工況下不因石墨密封環(huán)、閥體和閥座的脹緊而使得閥座難以軸向運動。何武等[14]在高溫氧氣球閥的密封結(jié)構(gòu)中使用了蝶形彈簧，閥門在關(guān)閉的情況下能夠保證閥座與球芯在彈簧預(yù)緊力的作用下緊密貼合，實現(xiàn)密封。吳尖斌等提出了由軟密封圈和彈性硬密封圈組成的一種雙層密封結(jié)構(gòu)，當(dāng)溫度升高時，由于軟密封圈使用柔性石墨，線膨脹系數(shù)遠小于金屬材料，彈性金屬密封圈受預(yù)緊力實現(xiàn)密封，而此時軟密封圈受力減小。

高溫閥門閥桿使用填料密封時，填料受高溫影響發(fā)生熱膨脹，導(dǎo)致填料與閥桿之間的摩擦力增大而引起填料磨損嚴(yán)重，原先的預(yù)緊力減少而使得填料密封力不足，出現(xiàn)泄漏問題。為了改善填料密封的現(xiàn)狀，胡安鐸[15]在壓蓋螺栓處加裝了預(yù)緊彈簧，使填料徑向預(yù)緊力長期保持在比較合理的范圍，自動補償了填料磨損，提高了填料使用壽命。

高溫閥門的密封結(jié)構(gòu)的改進，主要目的是為了避免密封結(jié)構(gòu)的破壞帶來的閥門失效，一般通過加裝預(yù)緊彈簧使其具備自動補償?shù)墓δ?，或是通過熱膨脹系數(shù)的不同，轉(zhuǎn)移預(yù)緊力的作用面。雖然這種方法被廣泛使用，但是對高溫閥門密封的研究還不夠深入。

未來應(yīng)從材料入手，選用耐高溫等復(fù)雜工況的材料，或者改進材料熱處理工藝以提高材料的耐磨、耐高溫性能，降低材料的熱膨脹量?，F(xiàn)有文獻缺乏對密封面的研究，密封面的堆焊、熱處理、研磨等對閥門密封性能的保障至關(guān)重要，是未來研究的重點。

2 高溫閥門的結(jié)構(gòu)強度研究

高溫閥門的結(jié)構(gòu)強度研究包括對熱應(yīng)力問題的研究和對熱疲勞問題的研究。熱應(yīng)力是指當(dāng)溫度改變時，物體由于外在約束及各部件之間的相互約束，使其不能完全自由熱脹冷縮所產(chǎn)生的應(yīng)力；或由于不同的材料具有不同的熱膨脹系數(shù)，受熱之后結(jié)構(gòu)的變形程度不均勻所引起的[16]。熱疲勞是指當(dāng)零件受到反復(fù)加熱和冷卻循環(huán)時，發(fā)生結(jié)構(gòu)變化和損傷，其最終可能導(dǎo)致由熱應(yīng)力引起的失效，熱疲勞是由交變熱應(yīng)力引起的[17-18]。

2.1 研究方法

高溫閥門的應(yīng)力研究方法主要有兩種：一是理論仿真；二是數(shù)值模擬。而實驗方法較為少見，是目前研究的不足。

2.1.1 理論仿真

理論仿真，是利用非齊次偏微分方程來描述高溫閥門的非穩(wěn)態(tài)傳熱問題，以獲得關(guān)于時間和空間函數(shù)形式表示的溫度場分布，確定熱量傳遞規(guī)律。張希恒等[19]將超高溫閥閥座簡化為有限長空心圓柱的常物性、無內(nèi)熱源、非齊次邊界條件下的非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱模型，利用Matlab軟件編程求解得到了特定點不同時間溫度的理論計算值。劉友宏等[20]忽略了電磁閥閥體內(nèi)部流體與壁面的對流傳熱，基于集總參數(shù)法得到了溫度與時間的數(shù)學(xué)模型，利用FORTRAN語言編寫了非穩(wěn)態(tài)熱分析的程序。

由于傳熱問題涉及到的貝塞爾函數(shù)問題和本征函數(shù)問題較為復(fù)雜，在理論模型建立過程中，需要對傳熱或者結(jié)構(gòu)的影響進行假設(shè)，簡化其計算過程。但是也存在許多不足，如仿真方法無法應(yīng)用在幾何結(jié)構(gòu)和邊界條件十分復(fù)雜的地方，對多維偏微分方程的求解較為困難。

2.1.2 數(shù)值模擬

數(shù)值模擬，是指利用有限量的節(jié)點參數(shù)表示連續(xù)的固體域或流體域，根據(jù)是否考慮溫度場、應(yīng)力場和流場，一起對高溫閥門綜合應(yīng)力問題進行分析。數(shù)值模擬有單一場分析和耦合場分析兩種不同類型：

(1)單一場分析。是指僅從熱力學(xué)的角度對高溫閥門溫度場分布問題進行研究。例如ZENG等[21]對高溫流量控制閥的溫度場分布進行了數(shù)值模擬，邊界條件設(shè)定時忽略高溫流體與閥體內(nèi)壁的對流傳熱方式，以閥體導(dǎo)熱為主要傳熱方式，給定了閥內(nèi)腔初始溫度。單一溫度場分析由于不涉及流體信息，不能直接得到流體溫度場以及壓力場對固體熱應(yīng)力及應(yīng)力場的影響，因此，無法得到實際的綜合應(yīng)力對閥門結(jié)構(gòu)強度的影響。

(2)耦合場分析。有熱固耦合分析和熱流固耦合分析兩種思路：

①熱固耦合分析。是指在考慮固體域中溫度場和應(yīng)力場同時存在的基本問題，在有限元分析的過程中考慮了溫度和應(yīng)力兩種物理場的交叉作用和相互影響。例如KIM等[22]采用單向耦合法對高溫高壓三通球閥進行了熱固耦合分析，先分析了由溫度差引起的熱應(yīng)力場，然后將熱應(yīng)力場作為邊界條件附加在壓應(yīng)力分析中，從而得到了耦合綜合應(yīng)力。

②熱流固耦合分析。是指在有限元分析過程中考慮了流動、應(yīng)力、溫度三場同時存在的基本問題。例如劉建瑞等[23]采用單向耦合方法對高溫高壓核電閘閥進行了熱流固耦合分析，先分別考慮流體場和溫度場，然后將兩場作為邊界條件附加在壓應(yīng)力場分析中，從而得到了耦合綜合應(yīng)力。

在耦合問題中，熱效應(yīng)與流體壓力導(dǎo)致固體變形，固體變形與流體流動導(dǎo)致溫度場變化，固體變形與熱效應(yīng)導(dǎo)致流動特性的改變，這3種效應(yīng)是同時發(fā)生的。而在已有的研究中，無論是熱固耦合還是熱流固耦合，對高溫閥門的熱結(jié)構(gòu)分析均是以單向耦合為主，而缺乏對雙向耦合的研究。

國內(nèi)外學(xué)者對高溫閥門強度問題的數(shù)值模擬方面的典型案例與特點，如表1所示。

由表1可發(fā)現(xiàn)，數(shù)值模擬存在瞬態(tài)模擬和穩(wěn)態(tài)模擬，在考慮閥門開啟較短時間內(nèi)認(rèn)為各場變化是瞬時的；開啟后的一段時間，則認(rèn)為是穩(wěn)態(tài)的。單一場分析是耦合場的基礎(chǔ)，熱流固耦合分析同時涉及了流體和固體的溫度場分析。

相較于理論仿真方法，數(shù)值模擬方法使用范圍廣泛，可對多個場分別進行分析，也可進行耦合分析，是當(dāng)下高溫閥門結(jié)構(gòu)強度研究的主流手段。但是僅單向耦合分析還不是最貼合實際情況的一種手段。

未來應(yīng)引入雙向耦合分析，甚至應(yīng)更多地加入實驗研究，以貼合高溫閥門工作的實際情況。

2.2 熱應(yīng)力問題的研究

高溫閥門熱應(yīng)力問題的研究中，探究熱應(yīng)力在綜合應(yīng)力中的地位，以及引入熱應(yīng)力后閥門部件的安全評估問題是目前主流的研究方向[31-32]。

在探究熱應(yīng)力的地位問題中，占比十分重要。汪玉鳳等[33]對高溫高壓球閥球體進行了熱固耦合分析，結(jié)果表明，熱載荷作用下的最大應(yīng)力占總應(yīng)力的31.6%。浙江大學(xué)研究團隊對高參數(shù)減壓閥進行了熱固耦合分析[34-35]，發(fā)現(xiàn)了熱應(yīng)力與壓應(yīng)力有一定的抵消作用，降低了最大綜合應(yīng)力值，且熱應(yīng)力在綜合應(yīng)力中占主導(dǎo)地位。林鵬等對高溫汽輪機旁路閥閥體進行了熱固耦合分析，發(fā)現(xiàn)閥門在開啟后的368.5 s時閥體應(yīng)力值最大，所處位置正是溫度梯度最大位置，此處的熱應(yīng)力值最大，而綜合應(yīng)力值小于熱應(yīng)力與壓應(yīng)力的疊加值。

在閥體安全評估過程，所用的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范或經(jīng)驗公式各不相同。林鵬等引入了高溫屈服強度的經(jīng)驗公式，公式中涉及了最高溫度值。吳敬普等[36]根據(jù)RCC-MB3222.3規(guī)定的總體熱應(yīng)力評估準(zhǔn)則來評定閥體的強度，即熱應(yīng)力(不計應(yīng)力集中)大于材料屈服強度的兩倍，則彈性分析失效。周密等[37]根據(jù)應(yīng)力—強度干涉理論對閥體強度進行了校核，閥體失效的判據(jù)為閥體危險斷面上的最大應(yīng)力值高于材料強度極限。趙英博等[38]考慮用包含熱應(yīng)力的最大應(yīng)力值不大于3倍材料的許用應(yīng)力值，來判斷閥體是否失效。

研究者們發(fā)現(xiàn)熱應(yīng)力在綜合應(yīng)力中占有一定比例，且能抵消一部分壓應(yīng)力，但其抵消機理卻未深入分析。在閥門部件安全評估時，所用標(biāo)準(zhǔn)都偏保守，大都未考慮到長期在高溫工況工作的情況，也是目前研究的不足。

2.3 熱疲勞問題的研究

高溫閥門熱疲勞問題的研究，主要考慮在交變熱應(yīng)力下閥門部件的疲勞可靠性，然后根據(jù)研究結(jié)果對部件結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。高溫閥門在啟閉過程中，形狀復(fù)雜的閥門內(nèi)、外表面溫度不同，并且各處溫差也存在較大差異。在這種情況下，閥門部件存在著顯著的交變應(yīng)力[39-41]。MAREK和OKRAJINI[42]指出，在閥門開啟初期存在熱應(yīng)力明顯大于壓應(yīng)力的現(xiàn)象，且超過屈服應(yīng)力值，嚴(yán)重影響閥門構(gòu)件的疲勞耐久。

在熱疲勞有限元分析中，需要先對零件結(jié)構(gòu)進行有限元分析，包括零件溫度場分布，熱應(yīng)力和綜合應(yīng)力；然后確定零件的危險點或面，即確定零件上的最大綜合應(yīng)力點或面；最后結(jié)合材料S-N曲線和疲勞累計損失理論，進行零件的疲勞壽命分析[43]。

疲勞分析過程如圖4所示。

圖4 疲勞分析過程圖

閥門的啟閉是引起閥門熱疲勞的主要原因。在閥門開啟、高溫介質(zhì)流通時，閥門內(nèi)外產(chǎn)生劇烈的溫度變化，隨之在溫度梯度大的部位產(chǎn)生極大的非定常應(yīng)力，這種現(xiàn)象也稱為瞬態(tài)承壓熱沖擊[44-45]，容易造成構(gòu)件的裂紋、擊穿等嚴(yán)重后果[46]，縮短閥門的壽命。

因此，瞬態(tài)承壓熱沖擊下的閥門疲勞可靠性分析是研究的重點。李樹勛等對核二級波紋管截止閥閥體開啟時，瞬時最大應(yīng)力的檢測點進行了熱固耦合疲勞壽命分析，并對閥體的安全系數(shù)進行了分析，結(jié)果表明，其安全系數(shù)大于1。

從安全系數(shù)來考慮，為避免瞬態(tài)熱沖擊的影響，應(yīng)減少內(nèi)外壁溫差使其產(chǎn)生的熱應(yīng)力盡量處于線彈性范圍，例如在閥座處開設(shè)冷卻槽[47]。余煜哲等[48]對高溫閥體進行了疲勞可靠性分析，結(jié)果表明，閥體最低壽命位置入口和出口處的閥槽轉(zhuǎn)角處。為防止閥座應(yīng)力集中，應(yīng)在此處進行熱噴涂和平滑處理。

浙江大學(xué)研究團隊提出了新型高參數(shù)減壓閥[49-52]，其高參數(shù)減壓閥的結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 新型高參數(shù)減壓閥1—外層籠罩；2—內(nèi)層籠罩；3—節(jié)流板

在相關(guān)文獻中，研究人員對閥體進行了熱流固耦合分析，確定了瞬態(tài)承壓熱沖擊下的應(yīng)力危險點，利用蒙森法對閥體的危險點進行了疲勞壽命分析，最后根據(jù)分析結(jié)果對原有閥體結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化分析，結(jié)果表明，優(yōu)化后的閥體綜合應(yīng)力值由原來的453 MPa減少到127 MPa。

優(yōu)化后的閥體結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 閥體優(yōu)化后的高參數(shù)減壓閥示意圖1—外層籠罩；2—內(nèi)層籠罩；3—節(jié)流板

目前，對高溫閥門熱疲勞問題的研究還未深入，尚有許多難題亟待解決：

(1)研究人員基于多場耦合的熱疲勞問題模擬對結(jié)構(gòu)進行了大量的簡化和假設(shè)，這些簡化和假設(shè)條件的合理性有待論證；

(2)對高溫閥門部件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化僅考慮簡單的消除集中應(yīng)力方法，缺乏更多的手段。未來應(yīng)借助計算機技術(shù)，利用模擬仿真方法，將結(jié)構(gòu)優(yōu)化與力學(xué)優(yōu)化算法相結(jié)合。

3 結(jié)束語

本文介紹了高溫閥門結(jié)構(gòu)改進的方法，回顧了國內(nèi)外高溫閥門結(jié)構(gòu)強度的研究現(xiàn)狀。

在高溫閥門的結(jié)構(gòu)設(shè)計研究中，運動部件和密封部件的改進是研究的重點。針對運動部件因熱膨脹系數(shù)不同而導(dǎo)致配合間隙減小的問題，主要在于改變其運動方式以及受熱溫度，避免熱膨脹量過大而致使的擦傷、卡死等現(xiàn)象；針對密封部件預(yù)緊力改變而導(dǎo)致的密封不足的問題，主要在于加裝預(yù)緊彈簧使其到達自動調(diào)整的作用。

然而以上均是在原有材料基礎(chǔ)上進行的結(jié)構(gòu)改進研究，未從部件材料和處理工藝兩方面進行研究。

在高溫閥門的結(jié)構(gòu)強度研究中，本文著重闡述了研究方法、熱應(yīng)力問題和熱疲勞問題：

(1)在研究方法方面，主要有理論仿真和數(shù)值模擬兩種，缺乏實驗研究方法。理論仿真方法僅對溫度場進行分析，而數(shù)值模擬方法不僅可對單一場進行分析，也可對多場耦合進行分析，是目前主流的研究手段。但是，數(shù)值模擬方法中的耦合分析僅以單向耦合為主，缺乏雙向耦合的研究，是目前研究的不足；

(2)在熱應(yīng)力問題研究方面，由于高溫閥門長期處高溫工況下，閥門內(nèi)外存在著時變不均勻溫度場，使得高溫閥門的結(jié)構(gòu)強度研究過程不得不考慮熱應(yīng)力的作用。熱應(yīng)力在閥門綜合應(yīng)力中占有一定比重，且存在抵消部分壓應(yīng)力的作用，在部件結(jié)構(gòu)安全評估時，常被考慮在內(nèi)。但是，熱應(yīng)力抵消作用的機理目前尚不明確，所用的評估標(biāo)準(zhǔn)也各有不同；

(3)在熱疲勞問題研究方面，高溫閥門在啟閉過程，存在著交變熱應(yīng)力，容易造成部件的熱疲勞現(xiàn)象，因此，分析瞬態(tài)承壓熱沖擊下的疲勞壽命問題十分重要，應(yīng)根據(jù)研究結(jié)果對部件應(yīng)力集中的部位進行優(yōu)化。但是單純站在經(jīng)驗的基礎(chǔ)上消除某處的集中應(yīng)力的方法并不是最優(yōu)方案，未來可借助計算機技術(shù)，利用模擬仿真方法，將結(jié)構(gòu)優(yōu)化與力學(xué)優(yōu)化算法相結(jié)合。