阀门强度分析和抗震检验方法的探讨

阀门强度分析和抗震检验方法的探讨

于英玖

九州云箭（北京）空间科技有限公司 北京市 100176

摘要：在我国高速发展下，带动了我国各个领域的进步。目前，在国内外阀门现状的基础上分析了国内阀门存在的问题。简述了计算机辅助设计CAD参数化技术和CAE技术对阀门设计的促进作用。以核电阀门为例，根据其应力、强度、抗震、环境等特殊要求，从不同工况、最小壁厚、应力判定方法等角度对核电阀门的受力分析和静态抗震方法进行了对比、归纳和展望。

关键词：阀门;强度分析;抗震分析;受力分析;CAD;CAE

引言

随着我国在化工、低温工程和液化气体产业的快速发展，在低温环境下使用阀门的情形越来越多，低温阀门(＜－100°)需求量越来越大，这就要求对低温阀门的安全性与可靠性进行更深入的研究。本文针对低温阀门特殊工作环境与使用要求，对阀门的可靠性进行分析和探讨。对比以前学者的研究方法，提出自己的分析过程，运用现代数学、传热学、力学及可靠性设计的理论等相关方法进行佐证，为低温阀门安全可靠运行提供了理论支撑和技术保障。

1概述

作为广泛应用于电力、石油、化工、环保等行业的机械零件，近年来阀门逐渐向大型化、自动化、高性能化、高参数化发展。随着阀门的使用工况越来越复杂，其密封性能作为重要技术性能指标，也受到广泛关注。阀门的种类多，结构多样，为达到截断介质流动，不发生泄漏的目的，阀门需要在各种复杂工况下都能保证长时间、高质量的密封。阀门密封失效的原因有很多，如阀体与阀盖间的配合紧密程度不足、阀门结构设计的不合理、阀门密封面存在缺陷、紧固件发生松动、密封填料在高温情况下失效等等。这些问题都可能导致阀门出现密封效果问题，从而引起介质的泄漏，随着工业技术的发展，阀门对密封性能的要求也越来越高，不仅要求阀门具有高耐磨性、较强的抗腐蚀性能，还要求阀门在高温、高压及低温等复杂工况下仍可长时间的保证高密封性。本文在基于对阀门密封面性能要求进行总结的基础上，从阀门的材料性能、结构设计、密封性能评价等3个方面的研究现状进行分析，并对阀门密封技术的发展趋势进行了预测，希望能为阀门的设计研发工作提供一定的借鉴和参考。

2阀门受力分析和抗震检验方法

2.1核电阀门受力分析

目前，国内核级阀门的设计主要依据于美国的ASME、法国的RCC－M等法规。标准中规定了核一级阀门、核二、三级阀门的合格要求与判定准则。分别考虑了很多载荷条件，如内压、自重、管道反作用力、地震载荷、温度效应等条件，并依据以上载荷的不同组合分为设计基准工况、运行工况、紧急工况、事故工况、水压试验等5种工况，如表4所示。核电阀门工况复杂，每种工况需要输入的载荷不尽相同，且合格标准也要做出相应的调整，这就要求每种工况需要分别计算阀门承压部件的薄膜应力、弯曲应力、一次应力、二次应力、峰值应力、热应力、总应力是否满足所使用材料的设计应力强度值，难度较大。

对应的环境载荷及判别依据序号工况载荷合格标准对应级别1设计和正常工况设计压力、设计温度、机械载荷防止:过度变形、塑性失稳、弹性和弹塑性失稳ASMEA级RCC－MO级2异常工况瞬态的压力、热载荷、接管载荷等防止:渐进性变形和疲劳ASMEB级RCC－MB级3危(紧)急工况瞬态的压力、热载荷、接管载荷等防止:过度变形、塑性失稳、弹性和弹塑性失稳，但安全裕量小ASMEC级RCC－MC级4事故工况瞬态的压力、热载荷、接管载荷(包括LO-CA)、SSE防止:弹性和弹塑性失稳(相当于压力边界完整性丧失)，但不排除过度变形。ASMED级RCC－MD级5试验工况试验压力防止:过度变形、塑性失稳、弹性和弹塑性失稳ASME试验RCC－M试验除了工况复杂外，目前核级阀门强度计算方法也有不同，主要方法为美国的ASME规范计算机辅助计算有限元分析法(CAE)、和法国的RCC－M规范。ASME规范和RCC－M规范在针对不同的核安全等级上对应的计算公式略有差异。目前，国内还没有制定出完整的适用于核电阀门工程实际情况的规范，本节将通过对几种方法的比较，找出其特点与不同。ASME与RCC－M规范中关于核一级阀门强度计算方法这一部分，从整体计算思路来讲大致相同，但也有不同。如在大阀门和小阀门的界定准则不一样，ASME中是以公称直径尺寸作为判定标准，RCC－M规范中则是以阀门的内径尺寸作为判定标准。这也就意味着在阀门强度计算的过程中，部分计算数据以及判定条件是存在差异的。类似的规定还有很多，可以围绕最小壁厚的确定和应力评定等部分来进行2个规范中核一级阀门强度计算方法的比较分析。

2.2阀门的密封性能

阀门密封性能的研究设计密封结构的原理、密封结构与泄漏情况的关系、密封性能的评价方法等。近些年，很多学者从密封性能原理的角度，对阀门密封性能进行了大量的研究。以充气阀作为研究对象，通过对垫片密封及阀座密封比压原理进行分析的基础上，运用有限元模拟的方法建立了阀门的泄漏量计算模型，并进行了阀门泄漏量的计算，实现了阀门泄漏率的定量分析。

图1全金属密封先导阀主阀结构

研究了低温阀门的启闭密封的特性，在不同工况下研究泄漏量和密封比压的关系，并与理论进行对比，得到了相同工况下的密封比压计算的修正系数。从阀门密封性的原理出发，分析了影响阀门密封性能的各种因素，针对影响因素，提出了相应的改善措施。根据对阀门密封性能的要求，需要根据泄漏的不同部位和程度，采取不同的防漏措施。对双层辉光离子渗钨渗碳阀门的渗层组织分析结果表明，硬化工艺形成的硬质密封面抗擦伤性能好，静压寿命长，这一特性同密封面所在渗层的组织有关。渗层组织为多相组织，这种组织结构大大提高了密封面的抗擦伤性能和静压寿命。

2.3阀门可靠性研究的发展方向

针对国内外低温阀门及其可靠性评估方法的研究与发展现状，未来阀门有如下发展展望。1)低温阀门发展现状及运行安全与可靠性方面的调研工作，制定低温阀门建模仿真分析、性能试验测试与可靠性评价方案。2)常用低温阀门三维实体与有限元仿真模型建立，完成低温阀门静动态特性分析，获得阀门在低温工况下应力应变与动态特性;采用热结构耦合分析的方法，分析阀门在热应力及结构应力共同作用下的应力与变形规律，为低温阀门结构优化设计提供依据。3)低温阀门及其密封材料性能测试，采用低温阀门实验测试系统对阀门及密封件在低温服役环境下的性能进行试验测试。

结语

进一步加快计算机辅助设计CAD参数化技术和CAE技术对阀门设计的应用和理解，加快完善参数化系统以及参数化装配技术，提高阀门设计能力。(2)核级阀门强度计算方法可以按照与RCC－M规范和ASME规范中大体的框架来进行，具体细节、具体问题等需要依据其工程经验及实际需求进行处理，同时，所用材料、焊接锻造工艺、误差控制范围、腐蚀裕量等是有区别的，这些需要通过大量的试验、调研来完成。(3)对于阀门抗震分析，应该考虑到计算模型的近似性和试验上的误差，应同时用试验测量法和计算法进行计算，对结果进行对比分析，找到相同点与误差点，为更好的设计方案提供思路。

参考文献

［1］魏宏璞，石世宏．核电阀门密封面无钴铁基合金粉末激光熔覆［J］．苏州大学学报(工科版)，2010，30(4):1－4．

［2］武鑫，赵高晖，王国钦，等．气动截止阀密封材料探讨［J］．机械设计与研究，2013，29(6):83－85．

［3］方庆贤．关于核级设备的静动态抗震试验的思考［J］．原子能科学技术，2008，42(S2):609－611．

［4］李仕帅．核级阀门强度计算方法的比较分析［D］．哈尔滨工程大学，2016．