摘要：在我國高速發(fā)展下，帶動了我國各個領域的進步。目前，在國內(nèi)外閥門現(xiàn)狀的基礎上分析了國內(nèi)閥門存在的問題。簡述了計算機輔助設計CAD參數(shù)化技術(shù)和CAE技術(shù)對閥門設計的促進作用。以核電閥門為例，根據(jù)其應力、強度、抗震、環(huán)境等特殊要求，從不同工況、最小壁厚、應力判定方法等角度對核電閥門的受力分析和靜態(tài)抗震方法進行了對比、歸納和展望。

　　關鍵詞：閥門;強度分析;抗震分析;受力分析;CAD;CAE

　　引言

　　隨著我國在化工、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(huán)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(xiàn)代數(shù)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(shù)保障。

　　1概述

　　作為廣泛應用于電力、石油、化工、環(huán)保等行業(yè)的機械零件，近年來閥門逐漸向大型化、自動化、高性能化、高參數(shù)化發(fā)展。隨著閥門的使用工況越來越復雜，其密封性能作為重要技術(shù)性能指標，也受到廣泛關注。閥門的種類多，結(jié)構(gòu)多樣，為達到截斷介質(zhì)流動，不發(fā)生泄漏的目的，閥門需要在各種復雜工況下都能保證長時間、高質(zhì)量的密封。閥門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、閥門結(jié)構(gòu)設計的不合理、閥門密封面存在缺陷、緊固件發(fā)生松動、密封填料在高溫情況下失效等等。

　　這些問題都可能導致閥門出現(xiàn)密封效果問題，從而引起介質(zhì)的泄漏，隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，閥門對密封性能的要求也越來越高，不僅要求閥門具有高耐磨性、較強的抗腐蝕性能，還要求閥門在高溫、高壓及低溫等復雜工況下仍可長時間的保證高密封性。本文在基于對閥門密封面性能要求進行總結(jié)的基礎上，從閥門的材料性能、結(jié)構(gòu)設計、密封性能評價等3個方面的研究現(xiàn)狀進行分析，并對閥門密封技術(shù)的發(fā)展趨勢進行了預測，希望能為閥門的設計研發(fā)工作提供一定的借鑒和參考。

　　2閥門受力分析和抗震檢驗方法

　　2.1核電閥門受力分析

　　目前，國內(nèi)核級閥門的設計主要依據(jù)于美國的ASME、法國的RCC-M等法規(guī)。標準中規(guī)定了核一級閥門、核二、三級閥門的合格要求與判定準則。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、溫度效應等條件，并依據(jù)以上載荷的不同組合分為設計基準工況、運行工況、緊急工況、事故工況、水壓試驗等5種工況，如表4所示。核電閥門工況復雜，每種工況需要輸入的載荷不盡相同，且合格標準也要做出相應的調(diào)整，這就要求每種工況需要分別計算閥門承壓部件的薄膜應力、彎曲應力、一次應力、二次應力、峰值應力、熱應力、總應力是否滿足所使用材料的設計應力強度值，難度較大。

　　對應的環(huán)境載荷及判別依據(jù)序號工況載荷合格標準對應級別1設計和正常工況設計壓力、設計溫度、機械載荷防止:過度變形、塑性失穩(wěn)、彈性和彈塑性失穩(wěn)ASMEA級RCC-MO級2異常工況瞬態(tài)的壓力、熱載荷、接管載荷等防止:漸進性變形和疲勞ASMEB級RCC-MB級3危(緊)急工況瞬態(tài)的壓力、熱載荷、接管載荷等防止:過度變形、塑性失穩(wěn)、彈性和彈塑性失穩(wěn)，但安全裕量小ASMEC級RCC-MC級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)(相當于壓力邊界完整性喪失)，但不排除過度變形。

　　ASMED級RCC-MD級5試驗工況試驗壓力防止:過度變形、塑性失穩(wěn)、彈性和彈塑性失穩(wěn)ASME試驗RCC-M試驗除了工況復雜外，目前核級閥門強度計算方法也有不同，主要方法為美國的ASME規(guī)范計算機輔助計算有限元分析法(CAE)、和法國的RCC-M規(guī)范。ASME規(guī)范和RCC-M規(guī)范在針對不同的核安全等級上對應的計算公式略有差異。

　　目前，國內(nèi)還沒有制定出完整的適用于核電閥門工程實際情況的規(guī)范，本節(jié)將通過對幾種方法的比較，找出其特點與不同。ASME與RCC-M規(guī)范中關于核一級閥門強度計算方法這一部分，從整體計算思路來講大致相同，但也有不同。如在大閥門和小閥門的界定準則不一樣，ASME中是以公稱直徑尺寸作為判定標準，RCC-M規(guī)范中則是以閥門的內(nèi)徑尺寸作為判定標準。這也就意味著在閥門強度計算的過程中，部分計算數(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力評定等部分來進行2個規(guī)范中核一級閥門強度計算方法的比較分析。

　　2.2閥門的密封性能

　　閥門密封性能的研究設計密封結(jié)構(gòu)的原理、密封結(jié)構(gòu)與泄漏情況的關系、密封性能的評價方法等。近些年，很多學者從密封性能原理的角度，對閥門密封性能進行了大量的研究。以充氣閥作為研究對象，通過對墊片密封及閥座密封比壓原理進行分析的基礎上，運用有限元模擬的方法建立了閥門的泄漏量計算模型，并進行了閥門泄漏量的計算，實現(xiàn)了閥門泄漏率的定量分析。

　　研究了低溫閥門的啟閉密封的特性，在不同工況下研究泄漏量和密封比壓的關系，并與理論進行對比，得到了相同工況下的密封比壓計算的修正系數(shù)。從閥門密封性的原理出發(fā)，分析了影響閥門密封性能的各種因素，針對影響因素，提出了相應的改善措施。根據(jù)對閥門密封性能的要求，需要根據(jù)泄漏的不同部位和程度，采取不同的防漏措施。對雙層輝光離子滲鎢滲碳閥門的滲層組織分析結(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，這一特性同密封面所在滲層的組織有關。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閥門可靠性研究的發(fā)展方向

　　針對國內(nèi)外低溫閥門及其可靠性評估方法的研究與發(fā)展現(xiàn)狀，未來閥門有如下發(fā)展展望。1)低溫閥門發(fā)展現(xiàn)狀及運行安全與可靠性方面的調(diào)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(tài)特性分析，獲得閥門在低溫工況下應力應變與動態(tài)特性;采用熱結(jié)構(gòu)耦合分析的方法，分析閥門在熱應力及結(jié)構(gòu)應力共同作用下的應力與變形規(guī)律，為低溫閥門結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計提供依據(jù)。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(tǒng)對閥門及密封件在低溫服役環(huán)境下的性能進行試驗測試。

　　能源論文投稿刊物：原子能科學技術(shù)月刊，由中國原子能科學研究院主辦，1959年創(chuàng)刊，國內(nèi)外公開發(fā)行，全國性學術(shù)與技術(shù)兼顧的原子能類核心期刊。主要收登核科學技術(shù)方面具有創(chuàng)造性的科技成果，旨在促進核科學與技術(shù)方面的交流、核技術(shù)與其他科學技術(shù)間的交叉滲透，推動核科技在國民經(jīng)濟方面的應用。欄目設置為“物理”、“化學”、“反應堆工程”、“技術(shù)及應用”。

　　結(jié)語

　　進一步加快計算機輔助設計CAD參數(shù)化技術(shù)和CAE技術(shù)對閥門設計的應用和理解，加快完善參數(shù)化系統(tǒng)以及參數(shù)化裝配技術(shù)，提高閥門設計能力。(2)核級閥門強度計算方法可以按照與RCC-M規(guī)范和ASME規(guī)范中大體的框架來進行，具體細節(jié)、具體問題等需要依據(jù)其工程經(jīng)驗及實際需求進行處理，同時，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，這些需要通過大量的試驗、調(diào)研來完成。(3)對于閥門抗震分析，應該考慮到計算模型的近似性和試驗上的誤差，應同時用試驗測量法和計算法進行計算，對結(jié)果進行對比分析，找到相同點與誤差點，為更好的設計方案提供思路。

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　　作者：于英玖