摘要：在我國(guó)高速發(fā)展下，帶動(dòng)了我國(guó)各個(gè)領(lǐng)域的進(jìn)步。目前，在國(guó)內(nèi)外閥門(mén)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上分析了國(guó)內(nèi)閥門(mén)存在的問(wèn)題。簡(jiǎn)述了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)CAD參數(shù)化技術(shù)和CAE技術(shù)對(duì)閥門(mén)設(shè)計(jì)的促進(jìn)作用。以核電閥門(mén)為例，根據(jù)其應(yīng)力、強(qiáng)度、抗震、環(huán)境等特殊要求，從不同工況、最小壁厚、應(yīng)力判定方法等角度對(duì)核電閥門(mén)的受力分析和靜態(tài)抗震方法進(jìn)行了對(duì)比、歸納和展望。

　　關(guān)鍵詞：閥門(mén);強(qiáng)度分析;抗震分析;受力分析;CAD;CAE

　　引言

　　隨著我國(guó)在化工、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(mén)的情形越來(lái)越多，低溫閥門(mén)(<-100°)需求量越來(lái)越大，這就要求對(duì)低溫閥門(mén)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(mén)特殊工作環(huán)境與使用要求，對(duì)閥門(mén)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(guò)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(mén)安全可靠運(yùn)行提供了理論支撐和技術(shù)保障。

　　1概述

　　作為廣泛應(yīng)用于電力、石油、化工、環(huán)保等行業(yè)的機(jī)械零件，近年來(lái)閥門(mén)逐漸向大型化、自動(dòng)化、高性能化、高參數(shù)化發(fā)展。隨著閥門(mén)的使用工況越來(lái)越復(fù)雜，其密封性能作為重要技術(shù)性能指標(biāo)，也受到廣泛關(guān)注。閥門(mén)的種類多，結(jié)構(gòu)多樣，為達(dá)到截?cái)嘟橘|(zhì)流動(dòng)，不發(fā)生泄漏的目的，閥門(mén)需要在各種復(fù)雜工況下都能保證長(zhǎng)時(shí)間、高質(zhì)量的密封。閥門(mén)密封失效的原因有很多，如閥體與閥蓋間的配合緊密程度不足、閥門(mén)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的不合理、閥門(mén)密封面存在缺陷、緊固件發(fā)生松動(dòng)、密封填料在高溫情況下失效等等。

　　這些問(wèn)題都可能導(dǎo)致閥門(mén)出現(xiàn)密封效果問(wèn)題，從而引起介質(zhì)的泄漏，隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，閥門(mén)對(duì)密封性能的要求也越來(lái)越高，不僅要求閥門(mén)具有高耐磨性、較強(qiáng)的抗腐蝕性能，還要求閥門(mén)在高溫、高壓及低溫等復(fù)雜工況下仍可長(zhǎng)時(shí)間的保證高密封性。本文在基于對(duì)閥門(mén)密封面性能要求進(jìn)行總結(jié)的基礎(chǔ)上，從閥門(mén)的材料性能、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、密封性能評(píng)價(jià)等3個(gè)方面的研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析，并對(duì)閥門(mén)密封技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了預(yù)測(cè)，希望能為閥門(mén)的設(shè)計(jì)研發(fā)工作提供一定的借鑒和參考。

　　2閥門(mén)受力分析和抗震檢驗(yàn)方法

　　2.1核電閥門(mén)受力分析

　　目前，國(guó)內(nèi)核級(jí)閥門(mén)的設(shè)計(jì)主要依據(jù)于美國(guó)的ASME、法國(guó)的RCC-M等法規(guī)。標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了核一級(jí)閥門(mén)、核二、三級(jí)閥門(mén)的合格要求與判定準(zhǔn)則。分別考慮了很多載荷條件，如內(nèi)壓、自重、管道反作用力、地震載荷、溫度效應(yīng)等條件，并依據(jù)以上載荷的不同組合分為設(shè)計(jì)基準(zhǔn)工況、運(yùn)行工況、緊急工況、事故工況、水壓試驗(yàn)等5種工況，如表4所示。核電閥門(mén)工況復(fù)雜，每種工況需要輸入的載荷不盡相同，且合格標(biāo)準(zhǔn)也要做出相應(yīng)的調(diào)整，這就要求每種工況需要分別計(jì)算閥門(mén)承壓部件的薄膜應(yīng)力、彎曲應(yīng)力、一次應(yīng)力、二次應(yīng)力、峰值應(yīng)力、熱應(yīng)力、總應(yīng)力是否滿足所使用材料的設(shè)計(jì)應(yīng)力強(qiáng)度值，難度較大。

　　對(duì)應(yīng)的環(huán)境載荷及判別依據(jù)序號(hào)工況載荷合格標(biāo)準(zhǔn)對(duì)應(yīng)級(jí)別1設(shè)計(jì)和正常工況設(shè)計(jì)壓力、設(shè)計(jì)溫度、機(jī)械載荷防止:過(guò)度變形、塑性失穩(wěn)、彈性和彈塑性失穩(wěn)ASMEA級(jí)RCC-MO級(jí)2異常工況瞬態(tài)的壓力、熱載荷、接管載荷等防止:漸進(jìn)性變形和疲勞ASMEB級(jí)RCC-MB級(jí)3危(緊)急工況瞬態(tài)的壓力、熱載荷、接管載荷等防止:過(guò)度變形、塑性失穩(wěn)、彈性和彈塑性失穩(wěn)，但安全裕量小ASMEC級(jí)RCC-MC級(jí)4事故工況瞬態(tài)的壓力、熱載荷、接管載荷(包括LO-CA)、SSE防止:彈性和彈塑性失穩(wěn)(相當(dāng)于壓力邊界完整性喪失)，但不排除過(guò)度變形。

　　ASMED級(jí)RCC-MD級(jí)5試驗(yàn)工況試驗(yàn)壓力防止:過(guò)度變形、塑性失穩(wěn)、彈性和彈塑性失穩(wěn)ASME試驗(yàn)RCC-M試驗(yàn)除了工況復(fù)雜外，目前核級(jí)閥門(mén)強(qiáng)度計(jì)算方法也有不同，主要方法為美國(guó)的ASME規(guī)范計(jì)算機(jī)輔助計(jì)算有限元分析法(CAE)、和法國(guó)的RCC-M規(guī)范。ASME規(guī)范和RCC-M規(guī)范在針對(duì)不同的核安全等級(jí)上對(duì)應(yīng)的計(jì)算公式略有差異。

　　目前，國(guó)內(nèi)還沒(méi)有制定出完整的適用于核電閥門(mén)工程實(shí)際情況的規(guī)范，本節(jié)將通過(guò)對(duì)幾種方法的比較，找出其特點(diǎn)與不同。ASME與RCC-M規(guī)范中關(guān)于核一級(jí)閥門(mén)強(qiáng)度計(jì)算方法這一部分，從整體計(jì)算思路來(lái)講大致相同，但也有不同。如在大閥門(mén)和小閥門(mén)的界定準(zhǔn)則不一樣，ASME中是以公稱直徑尺寸作為判定標(biāo)準(zhǔn)，RCC-M規(guī)范中則是以閥門(mén)的內(nèi)徑尺寸作為判定標(biāo)準(zhǔn)。這也就意味著在閥門(mén)強(qiáng)度計(jì)算的過(guò)程中，部分計(jì)算數(shù)據(jù)以及判定條件是存在差異的。類似的規(guī)定還有很多，可以圍繞最小壁厚的確定和應(yīng)力評(píng)定等部分來(lái)進(jìn)行2個(gè)規(guī)范中核一級(jí)閥門(mén)強(qiáng)度計(jì)算方法的比較分析。

　　2.2閥門(mén)的密封性能

　　閥門(mén)密封性能的研究設(shè)計(jì)密封結(jié)構(gòu)的原理、密封結(jié)構(gòu)與泄漏情況的關(guān)系、密封性能的評(píng)價(jià)方法等。近些年，很多學(xué)者從密封性能原理的角度，對(duì)閥門(mén)密封性能進(jìn)行了大量的研究。以充氣閥作為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)墊片密封及閥座密封比壓原理進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，運(yùn)用有限元模擬的方法建立了閥門(mén)的泄漏量計(jì)算模型，并進(jìn)行了閥門(mén)泄漏量的計(jì)算，實(shí)現(xiàn)了閥門(mén)泄漏率的定量分析。

　　研究了低溫閥門(mén)的啟閉密封的特性，在不同工況下研究泄漏量和密封比壓的關(guān)系，并與理論進(jìn)行對(duì)比，得到了相同工況下的密封比壓計(jì)算的修正系數(shù)。從閥門(mén)密封性的原理出發(fā)，分析了影響閥門(mén)密封性能的各種因素，針對(duì)影響因素，提出了相應(yīng)的改善措施。根據(jù)對(duì)閥門(mén)密封性能的要求，需要根據(jù)泄漏的不同部位和程度，采取不同的防漏措施。對(duì)雙層輝光離子滲鎢滲碳閥門(mén)的滲層組織分析結(jié)果表明，硬化工藝形成的硬質(zhì)密封面抗擦傷性能好，靜壓壽命長(zhǎng)，這一特性同密封面所在滲層的組織有關(guān)。滲層組織為多相組織，這種組織結(jié)構(gòu)大大提高了密封面的抗擦傷性能和靜壓壽命。

　　2.3閥門(mén)可靠性研究的發(fā)展方向

　　針對(duì)國(guó)內(nèi)外低溫閥門(mén)及其可靠性評(píng)估方法的研究與發(fā)展現(xiàn)狀，未來(lái)閥門(mén)有如下發(fā)展展望。1)低溫閥門(mén)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(mén)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(mén)三維實(shí)體與有限元仿真模型建立，完成低溫閥門(mén)靜動(dòng)態(tài)特性分析，獲得閥門(mén)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(mén)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(mén)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。3)低溫閥門(mén)及其密封材料性能測(cè)試，采用低溫閥門(mén)實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)對(duì)閥門(mén)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。

　　能源論文投稿刊物：原子能科學(xué)技術(shù)月刊，由中國(guó)原子能科學(xué)研究院主辦，1959年創(chuàng)刊，國(guó)內(nèi)外公開(kāi)發(fā)行，全國(guó)性學(xué)術(shù)與技術(shù)兼顧的原子能類核心期刊。主要收登核科學(xué)技術(shù)方面具有創(chuàng)造性的科技成果，旨在促進(jìn)核科學(xué)與技術(shù)方面的交流、核技術(shù)與其他科學(xué)技術(shù)間的交叉滲透，推動(dòng)核科技在國(guó)民經(jīng)濟(jì)方面的應(yīng)用。欄目設(shè)置為“物理”、“化學(xué)”、“反應(yīng)堆工程”、“技術(shù)及應(yīng)用”。

　　結(jié)語(yǔ)

　　進(jìn)一步加快計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)CAD參數(shù)化技術(shù)和CAE技術(shù)對(duì)閥門(mén)設(shè)計(jì)的應(yīng)用和理解，加快完善參數(shù)化系統(tǒng)以及參數(shù)化裝配技術(shù)，提高閥門(mén)設(shè)計(jì)能力。(2)核級(jí)閥門(mén)強(qiáng)度計(jì)算方法可以按照與RCC-M規(guī)范和ASME規(guī)范中大體的框架來(lái)進(jìn)行，具體細(xì)節(jié)、具體問(wèn)題等需要依據(jù)其工程經(jīng)驗(yàn)及實(shí)際需求進(jìn)行處理，同時(shí)，所用材料、焊接鍛造工藝、誤差控制范圍、腐蝕裕量等是有區(qū)別的，這些需要通過(guò)大量的試驗(yàn)、調(diào)研來(lái)完成。(3)對(duì)于閥門(mén)抗震分析，應(yīng)該考慮到計(jì)算模型的近似性和試驗(yàn)上的誤差，應(yīng)同時(shí)用試驗(yàn)測(cè)量法和計(jì)算法進(jìn)行計(jì)算，對(duì)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，找到相同點(diǎn)與誤差點(diǎn)，為更好的設(shè)計(jì)方案提供思路。

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　　作者：于英玖