高温高压阀门阀体的可靠性分析

谢 川

（西南化工研究设计院有限公司双流分公司，四川 成都 610200）

高温高压阀门是现代工业领域较为常见的元件之一，直接关系到工业生产的效率与质量，然而需要注意的是，阀门应用环境较为恶劣，温度与压力较高，很容易使阀门出现损伤，影响工业生产活动的顺利进行。为了及时发现高压阀门出现的问题，相关机构通常采用故障模式、影响和危害性分析（FMECA）的方式对阀门检测，并根据检测结果，按照一定顺序对危害性进行排序，并以此为基础，全面对阀体失效部位进行可靠性分析，对阀门设计与使用具有重要意义。

1 高温高压阀门阀体的FMECA 分析流程

1.根据阀门规格尺寸特点，结合相关规定要求，选择最佳的分析范围，如阀门系统的组成、复杂程度等，并将阀门系统各组成部分分级与分类。

2.评估故障层次，确定各模块的复杂程度，分析各模块的复杂性，并以此为基础，合理地对模块复杂性进行等级划分。

3.按照FMECA 原理进行阀门故障模式影响分析，共分为两部分，一个是FMEA 分析，主要有故障模式、引发原因、对阀门造成的影响、具体检查方式与最终的解决方案等内容；另一个是CA 分析，即危害性评估，判断故障的严重水平，并分析出现各种故障的概率[1]。

4.根据RMECA 分析结果构建产品可靠性图，利用表格的形式直观展示出故障类型，同时分析该故障可能造成的影响等。

2 基于FMECA 的高温高压阀门阀体分析

本研究选择的是以球阀与锥阀为主的双密封凸轮传动结构阀门，为了方便研究，将其简化成如图1 所示。阀门反复操作过程中，在介质压力长期作用下，很容易导致球阀出现变形等问题，影响阀门的密闭性，进而引发介质泄漏问题。同时，锥阀关闭操作时，由于锥阀与阀座可频繁碰撞，也会导致锥阀损伤，从而降低整个阀门的密闭性。

2.1 系统任务

该阀门用于气压系统的调节，内部介质是高压气体，系统由#25 钢制成，工作通道直径是30mm，工作压力是17MPa，以确保其具有10000 开关操作的寿命。

2.2 FMECA 分析表的构建

高压阀门运行时，故障一般出现在承压部件处，因而本文研究中可将非承载部件忽略。通过对该阀门故障失效影响的进一步分析，可构建出如表1 所示的FMECA 分析表。

2.3 FMECA 分析总结

对高温高压阀门研究与分析时，可将其看作是一个简单的系统，主要包括阀体、阀杆与笼套等部分构成。通过FMECA 分析可知，高温高压阀门运行时，失效故障通常出现在阀体、笼套、阀杆及密封垫位置，因而在稳定性分析时，应将这4 个部位作为重点，全面分析故障模式，判断引发故障的基本原因，将故障影响分级，从而制定出相应的解决方案，以此确保高压阀门能够安全、稳定地运行，为生产工作的开展打下良好基础[2]。在上述FMECA 表当中，因为添加了危害性分析使得其可以对阀门失效模式的各个不同影响展开全面分析。对于上述几种故障模式来说，阀体泄漏是最为常见且危害性最大的一种危害，这是因为阀门工作时，需要频繁地进行打开与关闭操作，加之内部环境较为恶劣，压力较高，介质具有较强的腐蚀性，使得阀体表面磨损严重，从而影响阀体的密封性，导致整个阀门出现内部介质泄露的问题，严重情况下，甚至会导致阀体裂开[3]。所以，在阀门日常运维管理过程中，应以表1 中的分析结果，在合理的时间段内，采取科学、合理的方式对阀门进行修复与更换，以确保整个阀门系统可以安全、稳定运行[4]。本文研究当中，仅选择了故障模式最多的阀体作为研究对象，对阀门运行可靠性进行了分析。

3 阀门阀体的可靠度分析计算

3.1 基于应力-强度模型的可靠度计算

应力-强度模型的主要原理为：先检测机械零件的极限应力，并以此为基础，与预设值进行对比，判断实际应力值是否高于预设应力值，若高于预设应力值，则表示零件失效，反之则表示零件可以正常运行。但需要注意的是，高温高压阀门阀体实际运行时，周边环境较为恶劣，存在诸多影响因素，导致阀体极限应力并不固定，而是在不断发生改变，通过检测可以发现，阀体极限应力变化存在正态分布特点[5]。随着阀门运行时间的逐渐提升，阀体的衰弱曲线单调递减。而应力分布与强度变化则是随机性的，使得干涉区（阴影部分）出现明显改变。

以干涉理论为基础，可将可靠性解释为强度高于应力的概率，即：

只要符合该公式，阀门阀体就不会出现失效问题。处于t0时间点处，两分布之间存在一定的安全裕度；随着运行时间的逐渐增加，阀体强度不断下降，当达到t1 时间点后，两分布出现干涉，使得阀体失效。根据这一原理，即可推导出阀体的可靠性计算公式，具体为：

其中，S表示阀体的工作应力；δ表示阀体材料强度；f（s）表示应力分布概率密度函数；g（δ）表示强度分布的概率密度函数。

若应力与强度均符合正态分布特点，则可将公式（2）简化为：

其中，ZR表示联结系数，又称之为可靠性系数。将上述公式进一步转换后，即可得到可靠性系数值，具体为：

其中，μs表示应力的平均值；μδ表示应力的标准差；σs表示强度的平均值，σδ表示强度的标准差。

3.2 阀门阀体强度可靠性计算实例

为了进一步验证上述可靠性计算方法的实际应用效果，本文选择由25#锻钢制成的高温高压阀门阀体作为研究对象进行了试验。通过相关资料查询可知，该材料的屈服强度是280MPa，通过计算，可推导出屈服强度平均值：μδ=1.1×280=308MPa。材料变异系数Vδ是0.07，主要利用屈服强度标准差与平均值做比而得，即Vδ=σδ/μs，将该公式转换后可推导出该阀体材料服务强度的标准差，具体为：σδ=Vδ×μs=21.56（MPa）。

阀体的主要作用是管道流通，为了降低研究难度，本文将假设为材质均匀，壁厚相同的受内压容器，阀体直径偏差△d 较小，处于0.01d 范围内。针对本文研究的阀门阀体来说，工作通道d 设置成30mm。由此，按照尺寸偏差公式：△d=0.01d 可以推算出阀体的尺寸偏差值，即0.3mm，按照3σ 原则，可得到△d=3σd，由此可推导出：σd=0.1（mm），在此基础上，可计算出阀体的变异系数：V ≈0.0033。

通过该阀门说明书的查询可知，阀门内部工作介质压力为17MPa，正常运行情况下，受到诸多因素的影响，使得内部介质压力出现一定的变化，本文将引发该变化的变异系数Vp设置成0.05，由此可推导出在介质压力作用下阀体的强度标准差，即：σp=Vp×μp=0.85（MPa）。

通过资料查询可知，该阀体的厚度偏差Vt约为0.01，由此可以推导阀体管壁的平均应力，具体为：μt=（55-30）/2=12.5mm，在此基础上，可计算出阀体管壁的强度标准差，即：σt=Vt×μt=0.125（MPa）。

以上述计算结果为依据，结合上述的变异系数法，能够计算出阀体盈利的总体变异系数Vs，具体为：

通过该公式的计算，可得到Vs≈0.0511。

壁厚进行计算时，采用的公式为：

通过该公式的转换后可以得到：[s]≥[p（d+t）]/2tφ。其中，t 表示阀体工作部位的壁厚；d 表示阀体的内部直径；p 表示管道所需要承受压力水平；φ 表示焊接系数，即管道焊接区域的损伤程度，焊接区域损伤越严重，φ 值越小，当管道无损伤时，φ 设置为1。

之后，利用上述公式与数据进行计算，可以得到平均应力值μs=28.9（MPa），平均强度值σs=1.476（MPa）。最后，按照公式（4）计算出可靠性系数ZR=12.915。通过正常分布表的查询可知，当25#锻钢可靠性技术在12.915 左右时，阀体的可靠度为1，符合规定要求。

4 总结

综上所述，高温高压阀门作为现代工业领域较为常见的元件，应采取FMECA 的方式对各部件故障进行全面分析，确定各部门故障模式、原因、影响及危害度等，并以此为基础，通过应力-强度模型的方式评价各模块的稳定性，以此准确了解各模块的具体情况，为各模块运维管理措施的制定提供支持，有利于阀门的安全、稳定运行。