高溫高壓閥門閥體的可靠性分析

謝 川

（西南化工研究設計院有限公司雙流分公司，四川 成都 610200）

高溫高壓閥門是現代工業領域較為常見的元件之一，直接關系到工業生產的效率與質量，然而需要注意的是，閥門應用環境較為惡劣，溫度與壓力較高，很容易使閥門出現損傷，影響工業生產活動的順利進行。為了及時發現高壓閥門出現的問題，相關機構通常采用故障模式、影響和危害性分析（FMECA）的方式對閥門檢測，并根據檢測結果，按照一定順序對危害性進行排序，并以此為基礎，全面對閥體失效部位進行可靠性分析，對閥門設計與使用具有重要意義。

1 高溫高壓閥門閥體的FMECA 分析流程

1.根據閥門規格尺寸特點，結合相關規定要求，選擇最佳的分析范圍，如閥門系統的組成、復雜程度等，并將閥門系統各組成部分分級與分類。

2.評估故障層次，確定各模塊的復雜程度，分析各模塊的復雜性，并以此為基礎，合理地對模塊復雜性進行等級劃分。

3.按照FMECA 原理進行閥門故障模式影響分析，共分為兩部分，一個是FMEA 分析，主要有故障模式、引發原因、對閥門造成的影響、具體檢查方式與最終的解決方案等內容；另一個是CA 分析，即危害性評估，判斷故障的嚴重水平，并分析出現各種故障的概率[1]。

4.根據RMECA 分析結果構建產品可靠性圖，利用表格的形式直觀展示出故障類型，同時分析該故障可能造成的影響等。

2 基于FMECA 的高溫高壓閥門閥體分析

本研究選擇的是以球閥與錐閥為主的雙密封凸輪傳動結構閥門，為了方便研究，將其簡化成如圖1 所示。閥門反復操作過程中，在介質壓力長期作用下，很容易導致球閥出現變形等問題，影響閥門的密閉性，進而引發介質泄漏問題。同時，錐閥關閉操作時，由于錐閥與閥座可頻繁碰撞，也會導致錐閥損傷，從而降低整個閥門的密閉性。

2.1 系統任務

該閥門用于氣壓系統的調節，內部介質是高壓氣體，系統由#25 鋼制成，工作通道直徑是30mm，工作壓力是17MPa，以確保其具有10000 開關操作的壽命。

2.2 FMECA 分析表的構建

高壓閥門運行時，故障一般出現在承壓部件處，因而本文研究中可將非承載部件忽略。通過對該閥門故障失效影響的進一步分析，可構建出如表1 所示的FMECA 分析表。

2.3 FMECA 分析總結

對高溫高壓閥門研究與分析時，可將其看作是一個簡單的系統，主要包括閥體、閥桿與籠套等部分構成。通過FMECA 分析可知，高溫高壓閥門運行時，失效故障通常出現在閥體、籠套、閥桿及密封墊位置，因而在穩定性分析時，應將這4 個部位作為重點，全面分析故障模式，判斷引發故障的基本原因，將故障影響分級，從而制定出相應的解決方案，以此確保高壓閥門能夠安全、穩定地運行，為生產工作的開展打下良好基礎[2]。在上述FMECA 表當中，因為添加了危害性分析使得其可以對閥門失效模式的各個不同影響展開全面分析。對于上述幾種故障模式來說，閥體泄漏是最為常見且危害性最大的一種危害，這是因為閥門工作時，需要頻繁地進行打開與關閉操作，加之內部環境較為惡劣，壓力較高，介質具有較強的腐蝕性，使得閥體表面磨損嚴重，從而影響閥體的密封性，導致整個閥門出現內部介質泄露的問題，嚴重情況下，甚至會導致閥體裂開[3]。所以，在閥門日常運維管理過程中，應以表1 中的分析結果，在合理的時間段內，采取科學、合理的方式對閥門進行修復與更換，以確保整個閥門系統可以安全、穩定運行[4]。本文研究當中，僅選擇了故障模式最多的閥體作為研究對象，對閥門運行可靠性進行了分析。

3 閥門閥體的可靠度分析計算

3.1 基于應力-強度模型的可靠度計算

應力-強度模型的主要原理為：先檢測機械零件的極限應力，并以此為基礎，與預設值進行對比，判斷實際應力值是否高于預設應力值，若高于預設應力值，則表示零件失效，反之則表示零件可以正常運行。但需要注意的是，高溫高壓閥門閥體實際運行時，周邊環境較為惡劣，存在諸多影響因素，導致閥體極限應力并不固定，而是在不斷發生改變，通過檢測可以發現，閥體極限應力變化存在正態分布特點[5]。隨著閥門運行時間的逐漸提升，閥體的衰弱曲線單調遞減。而應力分布與強度變化則是隨機性的，使得干涉區（陰影部分）出現明顯改變。

以干涉理論為基礎，可將可靠性解釋為強度高于應力的概率，即：

只要符合該公式，閥門閥體就不會出現失效問題。處于t0時間點處，兩分布之間存在一定的安全裕度；隨著運行時間的逐漸增加，閥體強度不斷下降，當達到t1 時間點后，兩分布出現干涉，使得閥體失效。根據這一原理，即可推導出閥體的可靠性計算公式，具體為：

其中，S表示閥體的工作應力；δ表示閥體材料強度；f（s）表示應力分布概率密度函數；g（δ）表示強度分布的概率密度函數。

若應力與強度均符合正態分布特點，則可將公式（2）簡化為：

其中，ZR表示聯結系數，又稱之為可靠性系數。將上述公式進一步轉換后，即可得到可靠性系數值，具體為：

其中，μs表示應力的平均值；μδ表示應力的標準差；σs表示強度的平均值，σδ表示強度的標準差。

3.2 閥門閥體強度可靠性計算實例

為了進一步驗證上述可靠性計算方法的實際應用效果，本文選擇由25#鍛鋼制成的高溫高壓閥門閥體作為研究對象進行了試驗。通過相關資料查詢可知，該材料的屈服強度是280MPa，通過計算，可推導出屈服強度平均值：μδ=1.1×280=308MPa。材料變異系數Vδ是0.07，主要利用屈服強度標準差與平均值做比而得，即Vδ=σδ/μs，將該公式轉換后可推導出該閥體材料服務強度的標準差，具體為：σδ=Vδ×μs=21.56（MPa）。

閥體的主要作用是管道流通，為了降低研究難度，本文將假設為材質均勻，壁厚相同的受內壓容器，閥體直徑偏差△d 較小，處于0.01d 范圍內。針對本文研究的閥門閥體來說，工作通道d 設置成30mm。由此，按照尺寸偏差公式：△d=0.01d 可以推算出閥體的尺寸偏差值，即0.3mm，按照3σ 原則，可得到△d=3σd，由此可推導出：σd=0.1（mm），在此基礎上，可計算出閥體的變異系數：V ≈0.0033。

通過該閥門說明書的查詢可知，閥門內部工作介質壓力為17MPa，正常運行情況下，受到諸多因素的影響，使得內部介質壓力出現一定的變化，本文將引發該變化的變異系數Vp設置成0.05，由此可推導出在介質壓力作用下閥體的強度標準差，即：σp=Vp×μp=0.85（MPa）。

通過資料查詢可知，該閥體的厚度偏差Vt約為0.01，由此可以推導閥體管壁的平均應力，具體為：μt=（55-30）/2=12.5mm，在此基礎上，可計算出閥體管壁的強度標準差，即：σt=Vt×μt=0.125（MPa）。

以上述計算結果為依據，結合上述的變異系數法，能夠計算出閥體盈利的總體變異系數Vs，具體為：

通過該公式的計算，可得到Vs≈0.0511。

壁厚進行計算時，采用的公式為：

通過該公式的轉換后可以得到：[s]≥[p（d+t）]/2tφ。其中，t 表示閥體工作部位的壁厚；d 表示閥體的內部直徑；p 表示管道所需要承受壓力水平；φ 表示焊接系數，即管道焊接區域的損傷程度，焊接區域損傷越嚴重，φ 值越小，當管道無損傷時，φ 設置為1。

之后，利用上述公式與數據進行計算，可以得到平均應力值μs=28.9（MPa），平均強度值σs=1.476（MPa）。最后，按照公式（4）計算出可靠性系數ZR=12.915。通過正常分布表的查詢可知，當25#鍛鋼可靠性技術在12.915 左右時，閥體的可靠度為1，符合規定要求。

4 總結

綜上所述，高溫高壓閥門作為現代工業領域較為常見的元件，應采取FMECA 的方式對各部件故障進行全面分析，確定各部門故障模式、原因、影響及危害度等，并以此為基礎，通過應力-強度模型的方式評價各模塊的穩定性，以此準確了解各模塊的具體情況，為各模塊運維管理措施的制定提供支持，有利于閥門的安全、穩定運行。