介紹了流體供應(yīng)系統(tǒng)用浮動(dòng)球球閥結(jié)構(gòu)和性能，以及故障閥門失效產(chǎn)生的原因和機(jī)理。基于ANSYS Workbench 平臺(tái)建立模型，依據(jù)閥門的工作特性，對(duì)球體和左閥體分別在不同載荷下的閥門疲勞壽命情況進(jìn)行仿真和分析，獲得閥門球體和左閥體變形量、應(yīng)力集中和疲勞損傷大小及位置，并與閥門實(shí)際使用情況進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。提出了改進(jìn)措施和延長(zhǎng)閥門壽命的方法。

1、概述

　　當(dāng)流體介質(zhì)為低沸點(diǎn)液體時(shí)，液體易氣化形成飽和蒸汽壓。如果閥體內(nèi)腔留存了低沸點(diǎn)液體，在環(huán)境溫度大于沸點(diǎn)時(shí)，閥體內(nèi)腔會(huì)因受到大于閥體材料屈服應(yīng)力而膨脹過度，乃至失效。如用于某流體供應(yīng)系統(tǒng)的球閥在管道兩端無介質(zhì)情況下發(fā)生了大量介質(zhì)泄漏。檢查發(fā)現(xiàn)閥門密封圈因崩裂已失效，閥門球體部分破裂且整體變形嚴(yán)重，左右閥體連接螺栓的螺紋咬合卡塞無法調(diào)整，閥體連接處的密封調(diào)整墊片完全撕裂，閥座密封件撕裂，閥桿有明顯變形，閥門內(nèi)部介質(zhì)殘留較多。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，流體系統(tǒng)曾多次發(fā)生過同類型球閥球體卡住和閥桿斷裂現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了系統(tǒng)可靠性。因此，研究閥門故障產(chǎn)生機(jī)理對(duì)延長(zhǎng)閥門的使用壽命和流體系統(tǒng)可靠性具有重要意義。基于計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE) 技術(shù)，對(duì)閥門進(jìn)行靜態(tài)分析與疲勞壽命分析。

2、結(jié)構(gòu)及性能

　　球閥由閥體、閥座、閥桿和驅(qū)動(dòng)裝置等組成，球體為浮動(dòng)結(jié)構(gòu)。利用球體繞閥桿的軸線旋轉(zhuǎn)90°實(shí)現(xiàn)閥門的開啟和關(guān)閉( 圖1) 。球閥的截止作用是由金屬球體在介質(zhì)的作用下，與彈性閥座之間相互壓緊來完成。閥座密封圈在一定的接觸壓力作用下，局部發(fā)生彈塑變形。這一變形可以補(bǔ)償球體的制造精度和表面粗糙度，保證球閥的密封性能。

　　球閥公稱通徑為400mm，操縱氣壓力為5MPa，工作壓力為1. 6MPa，閥體材料為鑄鋼，球體材料為1Cr18Ni9T，密封材料為PTFE 或PPL，材料許用應(yīng)力500MPa，彈性模量E = 172 ～206GPa，泊松比μ =0. 25 ～0. 3，使用壽命≤5 000 次。

3、失效機(jī)理

　　閥門安裝在管路通徑為Φ400mm、流體介質(zhì)為N2O4，環(huán)境溫度約20℃( 夏季) 的流體供應(yīng)系統(tǒng)中。使用過程中，閥門內(nèi)腔為1MPa 壓力的滿流狀態(tài)，閥門操縱氣壓力為5MPa。閥門在關(guān)閉過程中，閥體內(nèi)及其與球體之間的腔道中會(huì)積存大量N2O4。在未進(jìn)行閥門高點(diǎn)排氣和低點(diǎn)放液的情況下，N2O4不能及時(shí)排出，閥門內(nèi)部封閉空間充滿N2O4、NO2的飽和蒸汽氣體和液體混合物。當(dāng)N2O4、NO2之間的可逆反應(yīng)達(dá)到化學(xué)平衡時(shí)，其閥門內(nèi)部壓力超過了閥門設(shè)計(jì)壓力，閥門球體和閥體產(chǎn)生不同程度的變形，閥門密封件發(fā)生撕裂破碎，閥門在動(dòng)作過程中球體被卡住。經(jīng)計(jì)算，球閥在關(guān)閉后未進(jìn)行高點(diǎn)排氣和低點(diǎn)放液的情況下，其內(nèi)部形成的N2O4與NO2混合物在Φ400 的球腔里達(dá)到化學(xué)平衡時(shí)的壓力可達(dá)4. 41MPa，超出了球閥的設(shè)計(jì)壓力。

圖1 閥門結(jié)構(gòu)

6、結(jié)語(yǔ)

　　通過對(duì)閥門球體與左閥體在1MPa 壓力和4.41MPa 壓力兩種情況仿真計(jì)算，說明了球閥在1MPa 的壓力下使用是安全的，在4.41MPa 壓力下使用是不安全的。為防止球閥出現(xiàn)超壓力使用現(xiàn)象，延長(zhǎng)其使用壽命，在閥門與管道設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮閥門關(guān)閉后閥門球體內(nèi)殘存介質(zhì)對(duì)球體與閥體的壓力影響，尤其是沸點(diǎn)較低流體供應(yīng)系統(tǒng)中的球閥，應(yīng)在管路中設(shè)計(jì)排氣口和排液口，在閥門關(guān)閉后盡快排出閥門內(nèi)的殘存介質(zhì)。另外，在閥門球體與轉(zhuǎn)動(dòng)拉桿安裝時(shí)，應(yīng)盡量避免外力影響導(dǎo)致的球體變形。