浮动球球阀疲劳寿命分析

　　介绍了流体供应系统用浮动球球阀结构和性能，以及故障阀门失效产生的原因和机理。基于ANSYS Workbench 平台建立模型，依据阀门的工作特性，对球体和左阀体分别在不同载荷下的阀门疲劳寿命情况进行仿真和分析，获得阀门球体和左阀体变形量、应力集中和疲劳损伤大小及位置，并与阀门实际使用情况进行对比验证。提出了改进措施和延长阀门寿命的方法。

1、概述

　　当流体介质为低沸点液体时，液体易气化形成饱和蒸汽压。如果阀体内腔留存了低沸点液体，在环境温度大于沸点时，阀体内腔会因受到大于阀体材料屈服应力而膨胀过度，乃至失效。如用于某流体供应系统的球阀在管道两端无介质情况下发生了大量介质泄漏。检查发现阀门密封圈因崩裂已失效，阀门球体部分破裂且整体变形严重，左右阀体连接螺栓的螺纹咬合卡塞无法调整，阀体连接处的密封调整垫片完全撕裂，阀座密封件撕裂，阀杆有明显变形，阀门内部介质残留较多。根据统计，流体系统曾多次发生过同类型球阀球体卡住和阀杆断裂现象，严重影响了系统可靠性。因此，研究阀门故障产生机理对延长阀门的使用寿命和流体系统可靠性具有重要意义。基于计算机辅助工程(CAE) 技术，对阀门进行静态分析与疲劳寿命分析。

2、结构及性能

　　球阀由阀体、阀座、阀杆和驱动装置等组成，球体为浮动结构。利用球体绕阀杆的轴线旋转90°实现阀门的开启和关闭( 图1) 。球阀的截止作用是由金属球体在介质的作用下，与弹性阀座之间相互压紧来完成。阀座密封圈在一定的接触压力作用下，局部发生弹塑变形。这一变形可以补偿球体的制造精度和表面粗糙度，保证球阀的密封性能。

　　球阀公称通径为400mm，操纵气压力为5MPa，工作压力为1. 6MPa，阀体材料为铸钢，球体材料为1Cr18Ni9T，密封材料为PTFE 或PPL，材料许用应力500MPa，弹性模量E = 172 ～206GPa，泊松比μ =0. 25 ～0. 3，使用寿命≤5 000 次。

3、失效机理

　　阀门安装在管路通径为Φ400mm、流体介质为N2O4，环境温度约20℃( 夏季) 的流体供应系统中。使用过程中，阀门内腔为1MPa 压力的满流状态，阀门操纵气压力为5MPa。阀门在关闭过程中，阀体内及其与球体之间的腔道中会积存大量N2O4。在未进行阀门高点排气和低点放液的情况下，N2O4不能及时排出，阀门内部封闭空间充满N2O4、NO2的饱和蒸汽气体和液体混合物。当N2O4、NO2之间的可逆反应达到化学平衡时，其阀门内部压力超过了阀门设计压力，阀门球体和阀体产生不同程度的变形，阀门密封件发生撕裂破碎，阀门在动作过程中球体被卡住。经计算，球阀在关闭后未进行高点排气和低点放液的情况下，其内部形成的N2O4与NO2混合物在Φ400 的球腔里达到化学平衡时的压力可达4. 41MPa，超出了球阀的设计压力。

图1 阀门结构

6、结语

　　通过对阀门球体与左阀体在1MPa 压力和4.41MPa 压力两种情况仿真计算，说明了球阀在1MPa 的压力下使用是安全的，在4.41MPa 压力下使用是不安全的。为防止球阀出现超压力使用现象，延长其使用寿命，在阀门与管道设计时，应充分考虑阀门关闭后阀门球体内残存介质对球体与阀体的压力影响，尤其是沸点较低流体供应系统中的球阀，应在管路中设计排气口和排液口，在阀门关闭后尽快排出阀门内的残存介质。另外，在阀门球体与转动拉杆安装时，应尽量避免外力影响导致的球体变形。