高溫角閥閥座焊縫開裂原因分析

摘 要 以高溫高壓角閥簡(jiǎn)化后的閥座組件為研究對(duì)象，利用有限元法及Goodman圖法分析其服役過(guò)程中的應(yīng)力情況與疲勞壽命，定性討論閥座熱裝預(yù)應(yīng)力對(duì)閥門性能的影響以及出現(xiàn)焊縫開裂的原因。研究結(jié)果表明，出口焊縫開裂為疲勞破壞，溫度變化是導(dǎo)致焊縫開裂的主要因素；熱裝預(yù)應(yīng)力的存在對(duì)閥門整體應(yīng)力分布無(wú)影響，但造成進(jìn)口焊縫平均應(yīng)力幅值增加，降低了焊縫的疲勞壽命；而出口焊縫應(yīng)采用U型坡口，可以提升其疲勞壽命。

關(guān)鍵詞 角閥 有限元分析 疲勞壽命 焊縫 Goodman圖

中圖分類號(hào) TQ055.8+1 " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A " 文章編號(hào) 0254?6094（2024）04?0560?06

高溫高壓角式截止閥作為電力、航空航天、石油化工等領(lǐng)域的重要組成部分，用于控制介質(zhì)的快速打開與切斷，其安全性能對(duì)應(yīng)用對(duì)象的正常操作和安全運(yùn)行十分重要［1～3］，然而其閥體內(nèi)部用于固定鋼圈的焊縫頻繁發(fā)生開裂，存在安全隱患。QUE Z Q等通過(guò)對(duì)止回閥堆焊微觀組織分析研究，得到其開裂是由于制造過(guò)程中的凝固缺陷、組織中缺乏鐵素體相及可能未優(yōu)化的熱處理工藝造成的［4］。劉義忠等分析可知，高溫閥門開裂是閥體內(nèi)部出現(xiàn)腐蝕性熱疲勞而導(dǎo)致的［5］；王

磊等研究得到高溫閥門受到蠕變破壞的可能性高于疲勞破壞的可能性［6］；戴萬(wàn)祥等利用連續(xù)介質(zhì)損傷力學(xué)對(duì)特種控制閥閥體蠕變損傷進(jìn)行了評(píng)估［7］。上述研究?jī)H關(guān)注了常見閥門的微觀分析、腐蝕熱疲勞、蠕變失效及疲勞失效等失效機(jī)理，未考慮預(yù)應(yīng)力對(duì)高溫閥門服役過(guò)程中強(qiáng)度和壽命的影響。而關(guān)于角閥閥座因熱裝過(guò)盈存在預(yù)應(yīng)力對(duì)角閥各部件強(qiáng)度和壽命的影響鮮有報(bào)道。

為分析預(yù)應(yīng)力對(duì)閥座的影響，筆者基于有限元法和Goodman圖法，分析了角閥閥座組件簡(jiǎn)化模型的應(yīng)力變化和疲勞損傷，闡明預(yù)應(yīng)力對(duì)閥座組件的影響，并對(duì)焊縫開裂原因進(jìn)行分析［8～10］。

1 閥座組件有限元模型建立

高溫高壓角式截止閥的閥座組件由鋼圈、閥座和焊縫構(gòu)成。其裝配過(guò)程一般先通過(guò)熱裝工藝，對(duì)鋼圈與閥座施加過(guò)盈配合，在閥門進(jìn)口端對(duì)兩者的端面進(jìn)行焊接以保證密封。在閥門的出口端通過(guò)焊接將鋼圈固定在閥體內(nèi)部，此焊縫為工程實(shí)踐中發(fā)生開裂的焊縫。

建立如圖1所示的簡(jiǎn)化模型以模擬高溫高壓角式截止閥閥座組件的裝配關(guān)系。模型網(wǎng)格劃分如圖1所示，共包含54 020個(gè)節(jié)點(diǎn)、27 061個(gè)實(shí)體單元，并對(duì)焊縫處網(wǎng)格進(jìn)行了加密。

將閥座組件邊界條件進(jìn)行簡(jiǎn)化，閥門啟閉狀態(tài)溫度邊界條件如圖2所示，閥門輸送750 ℃高溫介質(zhì)，介質(zhì)壓力10 MPa，閥門外部設(shè)置流動(dòng)的冷卻水進(jìn)行冷卻。

2 預(yù)應(yīng)力施加與驗(yàn)證

工程實(shí)踐中，閥門處于空載狀態(tài)時(shí)，只有閥座和鋼圈存在預(yù)應(yīng)力，其他各部件內(nèi)力應(yīng)趨近于0 MPa，而服役過(guò)程中，預(yù)應(yīng)力隨著溫度升高應(yīng)有下降趨勢(shì)。角閥閥座組件不同裝配階段中參與裝配的部件和約束條件不同，因此預(yù)應(yīng)力的施加成為分析的難點(diǎn)。采用生死單元技術(shù)和載荷步的設(shè)置控制不同階段的邊界和載荷條件，模擬各部件的裝配順序，完成閥座組件的裝配過(guò)程。鋼圈和閥座之間設(shè)置摩擦接觸，并在幾何修正中添加偏移值以模擬二者之間由于熱裝配產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力。閥座組件施加預(yù)應(yīng)力后應(yīng)力分布如圖3所示。

由圖3可知，在空載狀態(tài)時(shí)，閥座和鋼圈因預(yù)應(yīng)力而存在內(nèi)力，最大應(yīng)力為151.73 MPa，其他各部件應(yīng)力均接近于0 MPa。

為進(jìn)一步驗(yàn)證預(yù)應(yīng)力的施加是否有效，分別在有無(wú)預(yù)應(yīng)力的條件下，對(duì)閥座和鋼圈分別單獨(dú)進(jìn)行熱力耦合分析。鋼圈在不同溫度載荷條件下的應(yīng)力變化情況如圖4所示。

由圖4可知，在無(wú)預(yù)應(yīng)力條件下，鋼圈等效應(yīng)力隨著溫度的升高而增加；在有預(yù)應(yīng)力條件下，鋼圈等效應(yīng)力值隨著溫度升高而降低，當(dāng)溫度高于200 ℃時(shí)，鋼圈變形超過(guò)預(yù)設(shè)的偏移值（過(guò)盈量），隨著溫度繼續(xù)升高，有預(yù)應(yīng)力鋼圈的等效應(yīng)力將小于無(wú)預(yù)應(yīng)力鋼圈的等效應(yīng)力，且兩者的等效應(yīng)力差隨溫度的增加而增大。

綜上，空載和服役條件下鋼圈應(yīng)力理論結(jié)果變化趨勢(shì)與實(shí)際情況相吻合，證明文中對(duì)閥座預(yù)應(yīng)力的施加過(guò)程是有效的。

3 焊縫開裂分析及優(yōu)化

對(duì)于焊縫開裂的原因分析如下：一方面考慮熱裝預(yù)應(yīng)力對(duì)閥座組件整體應(yīng)力峰值的影響和焊縫的疲勞分析；另一方面討論溫度載荷和壓力載荷對(duì)焊縫應(yīng)力分布的影響，判斷導(dǎo)致焊縫開裂的主要載荷因素。最后根據(jù)不同坡口焊縫的疲勞壽命給出降低焊縫疲勞破壞的優(yōu)化方案。

3.1 預(yù)應(yīng)力對(duì)閥座組件應(yīng)力分布的影響

本節(jié)討論服役過(guò)程中預(yù)應(yīng)力對(duì)閥門各零部件應(yīng)力分布的影響。分別計(jì)算考慮和不考慮預(yù)應(yīng)力時(shí)各部件應(yīng)力的分布情況。各相關(guān)部件的最大應(yīng)力列于表1。

由表1中數(shù)據(jù)可知，預(yù)應(yīng)力對(duì)閥座組件各部件的應(yīng)力影響效果各不相同。相對(duì)于無(wú)預(yù)應(yīng)力狀態(tài)，有預(yù)應(yīng)力時(shí)，關(guān)閉工況下出口焊縫最大應(yīng)力降低了54.295 MPa（40.28%）；開啟工況下鋼圈最大應(yīng)力降低了22.540 MPa（12.89%）；其他組件在不同工況下最大應(yīng)力變化皆小于5%，可認(rèn)為是計(jì)算誤差導(dǎo)致的。

綜上，熱裝預(yù)應(yīng)力的存在僅降低了出口焊縫的峰值應(yīng)力，對(duì)閥門其他部件應(yīng)力分布的影響基本可以忽略，即出口焊縫的開裂并非強(qiáng)度破壞導(dǎo)致的。

3.2 預(yù)應(yīng)力對(duì)焊縫疲勞壽命的影響

在閥門開啟和關(guān)閉過(guò)程中，焊縫上的外力載荷為壓力和溫度載荷，屬于非對(duì)稱循環(huán)載荷。通過(guò)計(jì)算有無(wú)預(yù)應(yīng)力時(shí)焊縫的疲勞壽命，判斷預(yù)應(yīng)力對(duì)焊縫疲勞損傷的影響。疲勞壽命計(jì)算公

式［11］如下：

σ=（1）

式中 n——工作安全系數(shù)；

σ——應(yīng)力幅；

σ′——零件強(qiáng)度極限；

σ——平均應(yīng)力；

σ——對(duì)稱循環(huán)下零件的有限壽命疲勞極限，也稱為零件的條件疲勞極限。

根據(jù)σ的數(shù)值，從S?N曲線上確定破壞循環(huán)數(shù)N。當(dāng)載荷較精準(zhǔn)，且工作應(yīng)力不超過(guò)設(shè)計(jì)應(yīng)力時(shí)，n取1.0～1.4；σ′近似地取為材料的強(qiáng)度極限與分散系數(shù)K的比值，即：

σ′=（2）

分散系數(shù)受零件材料性能、熱處理、加工及加載等情況影響，在破壞循環(huán)次數(shù)N≤104時(shí)，K推薦取1.3［12］。

計(jì)算閥座組件有無(wú)預(yù)應(yīng)力時(shí)焊縫的平均應(yīng)力和應(yīng)力幅并列于表2。

將表2中焊縫的平均應(yīng)力和應(yīng)力幅代入式（1）中，計(jì)算得到不同工況狀態(tài)下焊縫的σ值并繪制Goodman圖。圖5展示了不同工況狀態(tài)下焊縫的Goodman直線，橫縱坐標(biāo)分別代表焊縫的平均應(yīng)力和應(yīng)力幅值，當(dāng)σ為0 MPa時(shí)，所對(duì)應(yīng)的σ的值即為σ值。σ值越小，材料S?N曲線上對(duì)應(yīng)的破壞循環(huán)次數(shù)N越大。分析圖5可知，不同狀態(tài)下焊縫的σ值由大到小依次為：有預(yù)應(yīng)力出口焊縫114.85 MPa、無(wú)預(yù)應(yīng)力出口焊縫76.01 MPa、無(wú)預(yù)應(yīng)力進(jìn)口焊縫53.64 MPa和有預(yù)應(yīng)力進(jìn)口焊縫44.19 MPa。由此可知，預(yù)應(yīng)力導(dǎo)致出口焊縫的σ值升高，破壞循環(huán)次數(shù)N減小，而進(jìn)口焊縫的σ值降低，破壞循環(huán)次數(shù)N增大，預(yù)應(yīng)力是導(dǎo)致出口焊縫開裂的原因之一。

3.3 溫度、壓力載荷對(duì)焊縫應(yīng)力分布的影響

由3.2節(jié)可知，高溫角閥焊縫開裂原因?yàn)槠谄茐?，本?jié)對(duì)其開裂影響因素進(jìn)行研究。保持其他邊界條件不變，分別計(jì)算溫度載荷、壓力載荷單獨(dú)作用時(shí)閥座的應(yīng)力分布情況。

開啟工況下，閥座單獨(dú)承受壓力載荷、溫度載荷和實(shí)際工況（溫度+壓力載荷）時(shí)，各零部件的平均等效應(yīng)力如圖6所示。

觀察圖6可知，僅有溫度載荷作用時(shí)，其對(duì)應(yīng)的應(yīng)力多邊形與實(shí)際工況基本重合；僅有壓力載荷作用時(shí)，除鋼圈外其他各部件平均應(yīng)力大幅度下降，鋼圈平均應(yīng)力的升高，這是由于熱應(yīng)力與預(yù)應(yīng)力抵消效果消失導(dǎo)致的。由此可知，閥座組件應(yīng)力變化由溫度變化主導(dǎo)。

通過(guò)仿真結(jié)果計(jì)算得到焊縫的溫度場(chǎng)極差和閥門啟閉過(guò)程中焊縫最大溫度的變化，計(jì)算結(jié)果如圖7所示。由圖可知，出口焊縫在閥門開啟條件下溫度場(chǎng)極差是進(jìn)口焊縫的2.73倍；而在閥門啟閉過(guò)程中，出口焊縫處的最大溫度變化幅度是進(jìn)口焊縫的1.78倍。由于出口焊縫在開啟工況下溫度場(chǎng)極差大、閥門啟閉過(guò)程中最大溫度變化幅度大，導(dǎo)致其受溫度載荷影響所施加的熱應(yīng)力遠(yuǎn)高于進(jìn)口焊縫，因此在閥門的頻繁啟閉時(shí)，出口焊縫比進(jìn)口焊縫先發(fā)生開裂。

綜上分析，溫度變化是導(dǎo)致出口焊縫開裂的主要原因，而預(yù)應(yīng)力的存在導(dǎo)致出口焊縫的平均應(yīng)力降低、應(yīng)力幅增加，進(jìn)一步降低了其所能承受的破壞循環(huán)次數(shù)。

3.4 不同焊縫坡口對(duì)焊縫疲勞壽命的影響

基于上述分析結(jié)果，討論采用U型和V型兩種不同焊縫坡口時(shí)出口焊縫疲勞壽命的變化規(guī)律［13］。不同坡口焊縫的平均應(yīng)力和應(yīng)力幅見表3。

由表3可知，焊縫選用U型坡口可以獲得較低的平均應(yīng)力，選用V型坡口則應(yīng)力幅較低。因此無(wú)法直接判斷兩種坡口形式對(duì)焊縫疲勞壽命的影響，需要進(jìn)行疲勞壽命計(jì)算。

將表3中的數(shù)據(jù)代入式（1）中，計(jì)算得到焊縫的σ值并繪制Goodman圖（圖8）。

通過(guò)對(duì)比圖8中不同坡口焊縫的Goodman直線可知：進(jìn)口焊縫選用兩種不同坡口，其疲勞壽命基本相同；出口焊縫選用U型坡口比選用V型坡口所能承受的破壞循環(huán)次數(shù)更多。考慮到V型坡口比U型坡口的加工工藝簡(jiǎn)單，建議閥座組件進(jìn)口焊縫選用易加工的V型坡口，出口焊縫選用疲勞壽命高的U型坡口。

4 結(jié)論

4.1 閥座組件出口端焊縫開裂是疲勞破壞造成的，溫度變化是導(dǎo)致其開裂的主要原因；預(yù)應(yīng)力的存在不會(huì)增加閥門各部件的峰值應(yīng)力，但導(dǎo)致出口焊縫應(yīng)力幅增加，促進(jìn)了疲勞破壞的發(fā)生。

4.2 考慮到兩種焊縫的應(yīng)力變化和焊縫坡口的加工工藝，建議進(jìn)口焊縫采用易加工的V型坡口，出口焊縫采用疲勞壽命高的U型坡口。

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（收稿日期：2023-07-08，修回日期：2024-07-11）

Cause Analysis of the Weld Cracking of Angle Valve

Seat in Wind Tunnel

MENG Xiao?qiao1a， ZHANG Hong?li2，XUE Rui?yuan1a，b，ZHANG Yong?nan1a

（1a. School of Petrochemical Engineering； 1b. Wenzhou Pump and Valve Engineering Research Institute， Lanzhou University of Technology； 2. Sichuan Shujiao CNPC Energy Co.， Ltd）

Abstract " Taking the simplified valve seat’s assembly of high temperature and high pressure angle valve as the object of study， both finite element method and Goodman diagram were adopted to analyze both stress and fatigue life in the service process， including qualitatively analyzing the influence of valve seat’s pre?stress on the performance of the valve and the cause of weld cracking. The results show that， the export weld’s cracking is fatigue failure， and the temperature change mainly causes the weld cracking. The existence of hot loading pre?stress has no effect on the overall stress distribution of the valve， but it causes the average stress amplitude of the inlet weld to increase， and reduces the fatigue life of the weld. The outlet weld with U?shaped groove can improve its fatigue life.

Key words " angle valve， finite element analysis， fatigue life， weld， Goodman diagram

基金項(xiàng)目：甘肅省青年科技基金計(jì)劃（批準(zhǔn)號(hào)：22JR5RA297）資助的課題。

作者簡(jiǎn)介：孟曉橋（1997-），碩士研究生，從事閥門與密封技術(shù)的研究學(xué)習(xí)。

通訊作者：張黌立（1990-），高級(jí)工程師，從事化石能源及危化品安全管理工作，zhanghongli199008@163.com。

引用本文：孟曉橋，張黌立，薛睿淵，等.高溫角閥閥座焊縫開裂原因分析［J］.化工機(jī)械，2024，51（4）：560-564；595.