閥門可靠性技術(shù)研究現(xiàn)狀和展望

盧 毅

(河南省鍋爐壓力容器安全檢測(cè)研究院，河南 鄭州 450000)

0 引言

隨著我國(guó)在石油化工、低溫工程和液化氣體產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，在低溫環(huán)境下使用閥門的情形越來越多，低溫閥門(<-100°)需求量越來越大，這就要求對(duì)低溫閥門的安全性與可靠性進(jìn)行更深入的研究。本文針對(duì)低溫閥門特殊工作環(huán)境與使用要求，對(duì)閥門的可靠性進(jìn)行分析和探討。對(duì)比以前學(xué)者的研究方法，提出自己的分析過程，運(yùn)用現(xiàn)代數(shù)學(xué)、傳熱學(xué)、力學(xué)及可靠性設(shè)計(jì)的理論等相關(guān)方法進(jìn)行佐證，為低溫閥門安全可靠運(yùn)行提供了理論支撐和技術(shù)保障。

1 閥門的可靠性分析

在當(dāng)今世界，各國(guó)工業(yè)化程度越來越高，對(duì)閥門可靠性的要求也越來越高，甚至期望達(dá)到絕對(duì)安全。 從材料上看，材料不應(yīng)產(chǎn)生低溫脆性破壞，同時(shí)還應(yīng)考慮介質(zhì)的腐蝕性要求；同時(shí)材料的組織結(jié)構(gòu)應(yīng)該穩(wěn)定，以免產(chǎn)生體積變化；材料的選擇應(yīng)該避免在頻繁操作下產(chǎn)生卡組等情況。常用的鑄件材料有LCA、LCB、LC1、LCC、LC2等，可以適用于不同的溫度和介質(zhì)，同時(shí)對(duì)閥桿、閥瓣、填料函、閥座等部位給予嚴(yán)格的技術(shù)要求。

因此，相應(yīng)的可靠性研究在閥門研究中具有舉足輕重的作用。國(guó)內(nèi)外在提高閥門使用性能和使用壽命等方面進(jìn)行了大量的研究工作。韓斐等人[1]曾對(duì)閥門的可靠性分析、可靠性設(shè)計(jì)、可靠性試驗(yàn)和提高可靠性的措施4個(gè)方面總結(jié)了閥門可靠性技術(shù)研究的現(xiàn)狀，分析了閥門可靠性研究存在的問題及其發(fā)展趨勢(shì)，并進(jìn)行閥門失效機(jī)制的理論研究。李超等人[2]則針對(duì)閥門可靠性試驗(yàn)的不同結(jié)果，提出了兩種基于威布爾參數(shù)的可靠性評(píng)估方法。但是對(duì)低溫閥門的可靠性分析，國(guó)內(nèi)的研究較少。

2 閥門失效原因分析

閥門的泄漏是閥門失效最常見的原因，不僅會(huì)造成大量流體損失，耗損能源，污染環(huán)境，甚至?xí)劤芍卮蟮氖鹿省ｉy門泄漏的主要原因是密封失效引起，也就是通常所說的密封圈或者密封墊片發(fā)生故障。很多學(xué)者都對(duì)影響閥門密封的因素進(jìn)行了總結(jié)。閥門產(chǎn)生泄露，究其原因，通常有以下幾個(gè)方面：設(shè)計(jì)不合理，通過改進(jìn)閥門的設(shè)計(jì)，使閥的出口壓力和溫度的降低，使填料遠(yuǎn)離了密封裝置，大大降低了密封裝置因?yàn)闇囟认陆翟诿芊饧砻嫘纬杀鶢钗锒斐刹幻芊獾默F(xiàn)象。導(dǎo)向螺桿在工作介質(zhì)中，由于楔形變厚，使閥門不能正常工作，容易導(dǎo)致密封裝置的磨損，這些會(huì)縮短閥門的操作壽命，使密封件的密封緊度不夠。深入了解閥門的設(shè)計(jì)密封機(jī)理和高壓下的密封特性可以解決閥門泄露問題。王湘江教授等人[3]介紹了一種新型的諧波螺旋傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，不僅可以實(shí)現(xiàn)向密閉空間傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力，同時(shí)可以解決閥桿密封問題，并且不需要改動(dòng)密封結(jié)構(gòu)。陳泉等人[4]等從閥門結(jié)構(gòu)、閥桿的材料、密封材料及填料安裝方法等方面分析火力發(fā)電廠汽水系統(tǒng)閥桿密封泄漏原因。朱喜平[5]在對(duì)天然氣管道球閥基本結(jié)構(gòu)的研究基礎(chǔ)上，對(duì)天然氣管道球閥常出現(xiàn)的內(nèi)漏進(jìn)行了探討，對(duì)閥桿泄漏原因進(jìn)行了分析。雖然對(duì)密封的研究比較多，但由于密封涉及到很多微觀的物理現(xiàn)象，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)其中一些影響因素還沒有進(jìn)行充分的研究和認(rèn)識(shí)，只能做一些定性的分析，還不能由理論推導(dǎo)出定量的計(jì)算方法。盡管如此，對(duì)影響密封因素的研究仍然是十分重要的，因?yàn)樗芴峁┻M(jìn)一步改進(jìn)密封結(jié)構(gòu)，提高密封性能的方向和途徑。密封件的研究是解決密封的主要方法和手段。

3 閥門的可靠性設(shè)計(jì)

3.1 可靠性設(shè)計(jì)需要考慮因素

閥門可靠性設(shè)計(jì)需要考慮的因素較多。根據(jù)所有閥門的性能和特點(diǎn)，在對(duì)閥門進(jìn)行可靠性設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮6個(gè)方面的可靠性因素。

1)正常工況下，閥門穩(wěn)定開啟和關(guān)閉，沒有卡澀等狀況。

2)當(dāng)遇到強(qiáng)烈震動(dòng)工況時(shí)，閥門抗震性能的檢驗(yàn)。

3)在緊急情況時(shí)，閥門是否能夠快速關(guān)閉和開啟。

4)當(dāng)在不同壓力狀態(tài)下，對(duì)閥門性能進(jìn)行檢驗(yàn)。

5)長(zhǎng)期使用過程中，閥門的密封性能是否完好。

6)在不同強(qiáng)度下，閥門是否有足夠的強(qiáng)度抵抗。

3.2 不同環(huán)境下設(shè)計(jì)需考慮因素

對(duì)不同環(huán)境下工作的閥門進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需要充分考慮閥門填料的密封性能，墊片的密封性能以及整體的密封性能，這些設(shè)計(jì)都是影響其可靠性的重要因素。在實(shí)際操作過程中，在手柄邊緣最大作用力不應(yīng)該超過350 N，在閥門開啟和關(guān)閉瞬間，允許增加到1000 N。當(dāng)裝有減速機(jī)構(gòu)時(shí)，應(yīng)當(dāng)符合工況要求。閥門強(qiáng)度可靠性設(shè)計(jì)的方法逐漸從安全系數(shù)法向應(yīng)用概率統(tǒng)計(jì)方法發(fā)展。

4 閥門可靠性研究的發(fā)展方向

針對(duì)國(guó)內(nèi)外低溫閥門及其可靠性評(píng)估方法的研究與發(fā)展現(xiàn)狀，未來閥門有如下發(fā)展展望。

1)低溫閥門發(fā)展現(xiàn)狀及運(yùn)行安全與可靠性方面的調(diào)研工作，制定低溫閥門建模仿真分析、性能試驗(yàn)測(cè)試與可靠性評(píng)價(jià)方案。

2)常用低溫閥門三維實(shí)體與有限元仿真模型建立，完成低溫閥門靜動(dòng)態(tài)特性分析，獲得閥門在低溫工況下應(yīng)力應(yīng)變與動(dòng)態(tài)特性；采用熱結(jié)構(gòu)耦合分析的方法，分析閥門在熱應(yīng)力及結(jié)構(gòu)應(yīng)力共同作用下的應(yīng)力與變形規(guī)律，為低溫閥門結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

3)低溫閥門及其密封材料性能測(cè)試，采用低溫閥門實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)對(duì)閥門及密封件在低溫服役環(huán)境下的性能進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試。

4)低溫閥門可靠性評(píng)估方案與評(píng)估方法研究，建立低溫閥門可靠性評(píng)估數(shù)學(xué)模型與數(shù)值求解算法。

5)根據(jù)仿真與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行低溫閥門結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、密封性能與疲勞壽命可靠性分析，建立低溫閥門可靠性分析與評(píng)價(jià)系統(tǒng)，提供低溫閥門可靠性評(píng)價(jià)體系與評(píng)價(jià)方法。