高温高压实验用特种阀门的热应力分析

刘笑林

摘要：随着我国经济在快速发展，社会在不断进步，我国综合国力显著加强，为了适应大型水流体-固体相互作用实验装置超高温（600℃）、超高压（100MPa）的极端工作环境，保证阀门安全有效，以高温高压截止阀为研究对象，通过SolidWorks设计建立三维有限元模型，运用Ansys软件分析该阀门在实际工况下的温度和应力分布。选取4种材料对比分析热传导系数、热膨胀系数、弹性模量对温度和应力分布的影响。对阀门的密封结构和性能进行说明讨论。研究认为，选用镍基合金材料作为制作材料，阀门能够在高温环境下保持足够强度，并且满足实验装置的超高温、超高压工作环境的使用要求。在一定范围内，阀门温度和应力随热传导系数和热膨胀系数的降低以及弹性模量的增大而减小。

关键词：高温高压阀门;有限元;温度场;应力场

引言

中石化阀门零件工作环境具有高温、高压和临氢（并含有硫化氢）特点，其压力一般为14～25MPa，反应系统温度高达400℃左右，这些特点要求阀门铸件必须采用高强度、耐磨、耐腐蚀的材质制造，且铸件不能有夹杂、夹渣、气孔、缩松、裂纹等铸造缺陷。我公司经组织工艺攻关，采用先进的铸造和冶炼工艺，制造的阀门铸件完全满足客户要求。

1高温高压阀的FMECA分析

以强度性能、密封性和总体动作性能作为高温高压阀可靠性的依据。强度性能是指在阀门中的各个零件承受的介质压力的能力，对于高温高压阀而言主要部位为阀体、阀芯。密封性是指高温高压阀各个密封部位阻止介质泄漏的能力，主要是阀芯和阀座之间的配合关系，阀杆与填料之间的密封，阀体与阀盖的连接。总体动作性能主要包括阀门动作速度、灵敏度和动作稳定度，有无振动与噪声等。FMECA方法的分析步骤如下：1）确定分析的范围并熟悉整个系统。对其系统组成、复杂程度、技术成熟度以及制造工艺流程和工作环境等进行分级与分类。2）确定故障准则与确定分析层次。判断故障的层次，确定其复杂程度，分析其复杂性并进行划分。3）进行故障模式影响分析。FMECA分为FMEA与CA，FMECA包括故障的模式、原因、影响、检测方法以及补偿措施分析等。CA则是危害性分析，其通过故障发生的严重程度和故障发生的概率进行评估。一般性CA分为定性分析和定量分析2种方法。4）绘制系统可靠性图并列出故障类型并分析其影响。5）危害性分析。这是一种集故障的发生严重程度和其概率进行分类的综合性分类方式，能够有效地评价各个故障模式的影响，其中CA也分为定性与定量2种分析法，即故障模式发生度（ROP）与严重度（RES）等级，两者的乘积就是其故障模式NRP的评分准则，为NRP=ROP×RES。

2制造工艺

2.1铸造工艺分析

在阀门铸件铸造之前，相关人员需要详细了解阀门结构和阀门概况，如其毛坯重量、形状、尺寸等。在这种高温高压阀门铸件类型中，其结构以及形状等都相差无几。对铸件外表进行观察，发现其由3个圆环形管道组成，所以其外形为三通管状。相关人员要对管道的中心线进行检查，看其是否处于同一平面内。轴向相同的管道都设置了法兰，另一管道管口内壁厚度尺寸较大。这些管道的管口都为加工完毕的产品。3个管道的内外径尺寸都相同，所以阀门整体看来比较均匀。圆环形管是铸件工艺的主要作用对象，在铸造时相关人员需要使所有的圆环形管同心度相同，控制每个管道的壁厚，使其公差在允许范围内，但以目前的铸造工艺来讲，要实现目的还是有一定难度的。在铸造工艺设计环节，相关人员还要考虑3个管道的同时补缩事项。

2.2冶炼工艺

CF8C材质因在高温高压环境使用时变形小，强度大，耐磨耐腐蚀，一般被选用为阀门材质。标准的CF8C材质成分要求硫磷含量分别为S≤0.040%、P≤0.040%，硫磷含量较高。硫含量高，阀门使用中硫与氢形成硫化氢，硫化氢常温下可引起金属材料的应力腐蚀开裂，高温高压下能引起金属材料的快速均匀腐蚀，不能满足阀门高温高压环境使用要求。为满足高温高压阀门使用要求，将有害元素硫含量严格控制在0.015%以下，有害元素磷含量控制在0.020%以下。CF8C材质合金元素含量较高，碳含量较低，硫、磷含量低，电弧炉返回吹氧法冶炼过程中主要存在以下问题：冶炼过程中合金元素烧损严重;冶炼时间较长;炉衬烧损严重。浇注过程中钢液表面易产生氧化铬膜、冷隔、表面皱皮和夹杂等现象。为解决CF8C材质冶炼过程中存在的问题，得到合格的化学成分，主要采用以下措施。配料：90%的炉料采用本钢种高合金钢返回料，在装料前炉底加入钢液重量1.0%～1.5%的FeSi，配入Ni到中上线。熔化期：当炉料熔清后，钢液的温度≥1600℃时，根据炉渣情况，判断是否放渣，保证吹氧脱碳在薄渣下进行。氧化期：取试样分析钢液成分，将Si的成分调整控制到钢液重量的1.0%～1.5%，Ni的成分调整控制到钢液重量的9.5%～10.5%，计算钢液成分铬碳质量比，确定吹氧温度（1705～1835℃），当炉内钢液温度满足要求时，将吹氧压力提高至1.5～1.8MPa，用两根吹氧管连续吹氧18～22min，观察炉膛气氛、吹氧火焰的颜色，再次取样分析钢液成分，将C的成分调整控制到≤钢液重量的0.03%。还原期：在脱氧良好的白渣情况下补加Fe-Cr合金，及时搅拌钢液，把露于渣面上的固体Fe-Cr合金块推入钢液中，分批次加入还原剂回收渣中的Cr，当加入的合金露于渣面上时，采用电压210V、电流10kA的供电方式;如合金埋入渣面下时则采用电压180V，电流8kA的供电方式，还原期严禁短弧操作，电极下降要同步。

2.3FMECA分析总结

可以将高温高压阀视为一个系统，它由阀体、阀杆、笼套等系统组成。根据FMECA分析表可知其主要失效部位为阀体、笼套、阀杆，对其故障模式和故障原因进行分析，对各个部位的故障影响进行分级，并且提出了具体的解决方案和改进措施。综合以上的分析得出最终的FMECA分析表格，由于引入了危害性分析，故能实现对阀门的失效模式各个不同影响的评估。在这几种失效模式当中，泄漏主要是高温高压阀門主要的失效模式，因为阀门长期进行开闭工作，加上在内部压力的作用下，阀门的配合度和磨损都会导致泄漏现象发生。为了保证高温高压阀门能够正常平稳地工作，需要根据表4中严酷度对其主要故障部位进行维修与维护。阀门中的各个系统失效率都不相同，对于一些失效率较低的部位，在日常工作中不注意常见故障与消除方法，容易导致设备产生故障。系统中发生失效部位很多，但本文只对其最主要失效部位阀体进行可靠性分析。

结语

1）根据高温高压阀门的结构与工况对其进行FMECA分析，可以确定高温高压阀门在工作过程中的主要失效部位为阀体、笼套、阀杆等，发现并列举出其影响可靠性的因素，将其消除在早期阶段。2）高压阀门阀体结构的可靠度为1。在工作通道中，工作压力为恒定17MPa，本文为了便于计算，将内部结构做了简化，故阀体的可靠度具有一定的余度，具备可靠的工作能力，从阀体的角度来看，它是安全、可靠的。

参考文献

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