阀门可靠性技术研究现状和展望

2020-03-04卢毅

技术与市场 2020年8期

卢毅

(河南省锅炉压力容器安全检测研究院，河南郑州 450000)

0 引言

随着我国在石油化工、低温工程和液化气体产业的快速发展，在低温环境下使用阀门的情形越来越多，低温阀门(<-100°)需求量越来越大，这就要求对低温阀门的安全性与可靠性进行更深入的研究。本文针对低温阀门特殊工作环境与使用要求，对阀门的可靠性进行分析和探讨。对比以前学者的研究方法，提出自己的分析过程，运用现代数学、传热学、力学及可靠性设计的理论等相关方法进行佐证，为低温阀门安全可靠运行提供了理论支撑和技术保障。

1 阀门的可靠性分析

在当今世界，各国工业化程度越来越高，对阀门可靠性的要求也越来越高，甚至期望达到绝对安全。从材料上看，材料不应产生低温脆性破坏，同时还应考虑介质的腐蚀性要求；同时材料的组织结构应该稳定，以免产生体积变化；材料的选择应该避免在频繁操作下产生卡组等情况。常用的铸件材料有LCA、LCB、LC1、LCC、LC2等，可以适用于不同的温度和介质，同时对阀杆、阀瓣、填料函、阀座等部位给予严格的技术要求。

因此，相应的可靠性研究在阀门研究中具有举足轻重的作用。国内外在提高阀门使用性能和使用寿命等方面进行了大量的研究工作。韩斐等人[1]曾对阀门的可靠性分析、可靠性设计、可靠性试验和提高可靠性的措施4个方面总结了阀门可靠性技术研究的现状，分析了阀门可靠性研究存在的问题及其发展趋势，并进行阀门失效机制的理论研究。李超等人[2]则针对阀门可靠性试验的不同结果，提出了两种基于威布尔参数的可靠性评估方法。但是对低温阀门的可靠性分析，国内的研究较少。

2 阀门失效原因分析

阀门的泄漏是阀门失效最常见的原因，不仅会造成大量流体损失，耗损能源，污染环境，甚至会酿成重大的事故。阀门泄漏的主要原因是密封失效引起，也就是通常所说的密封圈或者密封垫片发生故障。很多学者都对影响阀门密封的因素进行了总结。阀门产生泄露，究其原因，通常有以下几个方面：设计不合理，通过改进阀门的设计，使阀的出口压力和温度的降低，使填料远离了密封装置，大大降低了密封装置因为温度下降在密封件表面形成冰状物而造成不密封的现象。导向螺杆在工作介质中，由于楔形变厚，使阀门不能正常工作，容易导致密封装置的磨损，这些会缩短阀门的操作寿命，使密封件的密封紧度不够。深入了解阀门的设计密封机理和高压下的密封特性可以解决阀门泄露问题。王湘江教授等人[3]介绍了一种新型的谐波螺旋传动机构，不仅可以实现向密闭空间传递运动和动力，同时可以解决阀杆密封问题，并且不需要改动密封结构。陈泉等人[4]等从阀门结构、阀杆的材料、密封材料及填料安装方法等方面分析火力发电厂汽水系统阀杆密封泄漏原因。朱喜平[5]在对天然气管道球阀基本结构的研究基础上，对天然气管道球阀常出现的内漏进行了探讨，对阀杆泄漏原因进行了分析。虽然对密封的研究比较多，但由于密封涉及到很多微观的物理现象，目前国内外对其中一些影响因素还没有进行充分的研究和认识，只能做一些定性的分析，还不能由理论推导出定量的计算方法。尽管如此，对影响密封因素的研究仍然是十分重要的，因为它能提供进一步改进密封结构，提高密封性能的方向和途径。密封件的研究是解决密封的主要方法和手段。

3 阀门的可靠性设计

3.1 可靠性设计需要考虑因素

阀门可靠性设计需要考虑的因素较多。根据所有阀门的性能和特点，在对阀门进行可靠性设计时，需要考虑6个方面的可靠性因素。

1)正常工况下，阀门稳定开启和关闭，没有卡涩等状况。

2)当遇到强烈震动工况时，阀门抗震性能的检验。

3)在紧急情况时，阀门是否能够快速关闭和开启。

4)当在不同压力状态下，对阀门性能进行检验。

5)长期使用过程中，阀门的密封性能是否完好。

6)在不同强度下，阀门是否有足够的强度抵抗。

3.2 不同环境下设计需考虑因素

对不同环境下工作的阀门进行设计时，需要充分考虑阀门填料的密封性能，垫片的密封性能以及整体的密封性能，这些设计都是影响其可靠性的重要因素。在实际操作过程中，在手柄边缘最大作用力不应该超过350 N，在阀门开启和关闭瞬间，允许增加到1000 N。当装有减速机构时，应当符合工况要求。阀门强度可靠性设计的方法逐渐从安全系数法向应用概率统计方法发展。