閥門可靠性技術研究現狀和展望

盧 毅

(河南省鍋爐壓力容器安全檢測研究院，河南 鄭州 450000)

0 引言

隨著我國在石油化工、低溫工程和液化氣體產業的快速發展，在低溫環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，這就要求對低溫閥門的安全性與可靠性進行更深入的研究。本文針對低溫閥門特殊工作環境與使用要求，對閥門的可靠性進行分析和探討。對比以前學者的研究方法，提出自己的分析過程，運用現代數學、傳熱學、力學及可靠性設計的理論等相關方法進行佐證，為低溫閥門安全可靠運行提供了理論支撐和技術保障。

1 閥門的可靠性分析

在當今世界，各國工業化程度越來越高，對閥門可靠性的要求也越來越高，甚至期望達到絕對安全。 從材料上看，材料不應產生低溫脆性破壞，同時還應考慮介質的腐蝕性要求；同時材料的組織結構應該穩定，以免產生體積變化；材料的選擇應該避免在頻繁操作下產生卡組等情況。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，同時對閥桿、閥瓣、填料函、閥座等部位給予嚴格的技術要求。

因此，相應的可靠性研究在閥門研究中具有舉足輕重的作用。國內外在提高閥門使用性能和使用壽命等方面進行了大量的研究工作。韓斐等人[1]曾對閥門的可靠性分析、可靠性設計、可靠性試驗和提高可靠性的措施4個方面總結了閥門可靠性技術研究的現狀，分析了閥門可靠性研究存在的問題及其發展趨勢，并進行閥門失效機制的理論研究。李超等人[2]則針對閥門可靠性試驗的不同結果，提出了兩種基于威布爾參數的可靠性評估方法。但是對低溫閥門的可靠性分析，國內的研究較少。

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，不僅會造成大量流體損失，耗損能源，污染環境，甚至會釀成重大的事故。閥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生故障。很多學者都對影響閥門密封的因素進行了總結。閥門產生泄露，究其原因，通常有以下幾個方面：設計不合理，通過改進閥門的設計，使閥的出口壓力和溫度的降低，使填料遠離了密封裝置，大大降低了密封裝置因為溫度下降在密封件表面形成冰狀物而造成不密封的現象。導向螺桿在工作介質中，由于楔形變厚，使閥門不能正常工作，容易導致密封裝置的磨損，這些會縮短閥門的操作壽命，使密封件的密封緊度不夠。深入了解閥門的設計密封機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機構，不僅可以實現向密閉空間傳遞運動和動力，同時可以解決閥桿密封問題，并且不需要改動密封結構。陳泉等人[4]等從閥門結構、閥桿的材料、密封材料及填料安裝方法等方面分析火力發電廠汽水系統閥桿密封泄漏原因。朱喜平[5]在對天然氣管道球閥基本結構的研究基礎上，對天然氣管道球閥常出現的內漏進行了探討，對閥桿泄漏原因進行了分析。雖然對密封的研究比較多，但由于密封涉及到很多微觀的物理現象，目前國內外對其中一些影響因素還沒有進行充分的研究和認識，只能做一些定性的分析，還不能由理論推導出定量的計算方法。盡管如此，對影響密封因素的研究仍然是十分重要的，因為它能提供進一步改進密封結構，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 閥門的可靠性設計

3.1 可靠性設計需要考慮因素

閥門可靠性設計需要考慮的因素較多。根據所有閥門的性能和特點，在對閥門進行可靠性設計時，需要考慮6個方面的可靠性因素。

1)正常工況下，閥門穩定開啟和關閉，沒有卡澀等狀況。

2)當遇到強烈震動工況時，閥門抗震性能的檢驗。

3)在緊急情況時，閥門是否能夠快速關閉和開啟。

4)當在不同壓力狀態下，對閥門性能進行檢驗。

5)長期使用過程中，閥門的密封性能是否完好。

6)在不同強度下，閥門是否有足夠的強度抵抗。

3.2 不同環境下設計需考慮因素

對不同環境下工作的閥門進行設計時，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，這些設計都是影響其可靠性的重要因素。在實際操作過程中，在手柄邊緣最大作用力不應該超過350 N，在閥門開啟和關閉瞬間，允許增加到1000 N。當裝有減速機構時，應當符合工況要求。閥門強度可靠性設計的方法逐漸從安全系數法向應用概率統計方法發展。

4 閥門可靠性研究的發展方向

針對國內外低溫閥門及其可靠性評估方法的研究與發展現狀，未來閥門有如下發展展望。

1)低溫閥門發展現狀及運行安全與可靠性方面的調研工作，制定低溫閥門建模仿真分析、性能試驗測試與可靠性評價方案。

2)常用低溫閥門三維實體與有限元仿真模型建立，完成低溫閥門靜動態特性分析，獲得閥門在低溫工況下應力應變與動態特性；采用熱結構耦合分析的方法，分析閥門在熱應力及結構應力共同作用下的應力與變形規律，為低溫閥門結構優化設計提供依據。

3)低溫閥門及其密封材料性能測試，采用低溫閥門實驗測試系統對閥門及密封件在低溫服役環境下的性能進行試驗測試。

4)低溫閥門可靠性評估方案與評估方法研究，建立低溫閥門可靠性評估數學模型與數值求解算法。

5)根據仿真與實驗數據進行低溫閥門結構強度、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價系統，提供低溫閥門可靠性評價體系與評價方法。