陳首岐

摘要：在我國(guó)進(jìn)入21世紀(jì)的新時(shí)期，我國(guó)的市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)在快速發(fā)展，社會(huì)在不斷進(jìn)步，高溫高壓閥門(mén)鑄件與普通閥門(mén)的制造工藝流程和要求均不相同，前者的制造過(guò)程系統(tǒng)性、復(fù)雜性更強(qiáng)，制造時(shí)相關(guān)人員應(yīng)提前明確技術(shù)要求，做好工藝落實(shí)監(jiān)督工作，使鑄件質(zhì)量滿(mǎn)足客戶(hù)要求和閥門(mén)應(yīng)用環(huán)境要求。普通閥門(mén)鑄件制造中需要用到鑄造工藝和冶煉工藝，還會(huì)借助電弧爐返回吹氧法。無(wú)論采取哪種工藝，相關(guān)人員都要遵循制造要求，按照鑄造流程落實(shí)工藝。

關(guān)鍵詞：高溫高壓;閥門(mén)鑄件;制造工藝

引言

高壓閥門(mén)在超硬質(zhì)材料制造、化學(xué)工業(yè)、石油化工、水利系統(tǒng)、天然氣運(yùn)輸、火電、核電、船舶、車(chē)輛、飛機(jī)等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用，隨著發(fā)展速度越來(lái)越快，我國(guó)對(duì)閥門(mén)的需求量也是日益增多，閥門(mén)一旦失效就會(huì)造成不可挽回的后果，故可靠性在閥門(mén)研究當(dāng)中具有重要地位。一般而言，高壓閥門(mén)常年處在高溫、高壓工況下，工作一定時(shí)間后就很容易發(fā)生泄漏、卡滯和振動(dòng)等失效現(xiàn)象。為了發(fā)現(xiàn)影響可靠性降低的因素，利用FMECA分析方法將故障模式、影響以及危害性按照風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)進(jìn)行排序，將危險(xiǎn)消除在早期階段，并且將對(duì)閥體主要的失效部位進(jìn)行可靠度分析，這對(duì)高溫高壓閥門(mén)閥體產(chǎn)品的設(shè)計(jì)具有重要意義。

1有限元分析

在工程中，當(dāng)物體各部分溫度發(fā)生變化時(shí)，物體將由于熱變形而產(chǎn)生應(yīng)變，當(dāng)物體由于約束或出現(xiàn)溫度不均勻時(shí)，熱變形受到影響，則會(huì)在物體內(nèi)產(chǎn)生熱應(yīng)力。熱應(yīng)力問(wèn)題實(shí)際上是熱和應(yīng)力兩個(gè)物理場(chǎng)之間的相互作用，屬于耦合場(chǎng)問(wèn)題。使用Ansys軟件對(duì)閥門(mén)實(shí)際工況進(jìn)行耦合場(chǎng)分析常使用間接法，先進(jìn)行熱分析，然后將求得節(jié)點(diǎn)溫度作為載荷施加到結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析模塊中。根據(jù)結(jié)構(gòu)尺寸，在SolidWorks2014中建立閥門(mén)三維實(shí)體模型，并通過(guò)SolidWorks與Ansys結(jié)合將文件直接導(dǎo)入Ansys中完成有限元模型的建立。

2.1穩(wěn)態(tài)熱分析

結(jié)合實(shí)際情況，對(duì)閥門(mén)進(jìn)行熱力學(xué)分析主要考慮熱傳遞與熱對(duì)流兩個(gè)方面。對(duì)于穩(wěn)態(tài)熱傳遞過(guò)程中，物體的溫度不隨時(shí)間變化，系統(tǒng)處于熱平衡狀態(tài)，即流入系統(tǒng)的熱能與系統(tǒng)內(nèi)生成的熱能等于流出系統(tǒng)的熱能，相應(yīng)的有限元平衡方程為：[K]{I}={Q}式中：[K]為傳導(dǎo)矩陣，包括導(dǎo)熱系數(shù)，對(duì)流系數(shù)、輻射系數(shù)和形狀系數(shù);{I}為節(jié)點(diǎn)溫度向量;{Q}為節(jié)點(diǎn)熱流向量，包含熱生成。在本文描述情境下，熱-結(jié)構(gòu)耦合分析過(guò)程分為3步：1）分析閥門(mén)工作環(huán)境下溫度場(chǎng);2）將溫度場(chǎng)等效為節(jié)點(diǎn)載荷載入結(jié)構(gòu)分析模型中;3）結(jié)合熱載荷與實(shí)際載荷進(jìn)行耦合分析。由于閥門(mén)所應(yīng)用實(shí)驗(yàn)裝置的介質(zhì)溫度可達(dá)600℃，出于減輕閥桿密封面處熱應(yīng)力以及保證介質(zhì)保溫的考慮，閥體整體也處于600℃高溫中，支撐桿及以上部分對(duì)流換熱系數(shù)取5×10-6W/（mm2·℃）。

2.2鑄造工藝設(shè)計(jì)

鑄造工藝需要解決的難題有很多，相關(guān)人員要著重做好以下設(shè)計(jì)。一是鑄件收縮率。鑄件在應(yīng)用中有可能會(huì)發(fā)生收縮，相關(guān)人員要將該收縮現(xiàn)象控制在一定范圍內(nèi)，使其不會(huì)影響鑄件的功能發(fā)揮程度?；诖?，應(yīng)明確鑄件收縮率。該參數(shù)確定時(shí)，還要考慮材料材質(zhì)、鑄件結(jié)構(gòu)等因素，最終內(nèi)外腔縮尺采用參數(shù)分別為2%，1.50%。二是分型面。有效選擇分型面，解決環(huán)形管道同時(shí)補(bǔ)縮難題。將分型面作為所有管道中心線匯集位置，在設(shè)計(jì)中，相關(guān)人員需要找到管道中心，中心延長(zhǎng)線匯集位置便是分型面。在分型面作用下，整體鑄件會(huì)分成均勻的兩部分。該平面的截面積最大，相關(guān)人員還要對(duì)軸向中心線匯集位置進(jìn)行檢查，看其是否只有一個(gè)平面。在鑄造中，相關(guān)人員要控制砂芯使用量，這可以避免披縫的產(chǎn)生。三是澆注系統(tǒng)。澆筑方式為底注式，相關(guān)系統(tǒng)設(shè)計(jì)也要符合底注式要求。主要對(duì)澆道和澆口等進(jìn)行設(shè)計(jì)，在澆道方面，要保證其抗腐蝕能力以及穩(wěn)定性，如此其才能安全承受金屬液帶來(lái)的影響，避免出現(xiàn)各種缺陷。橫澆道還要起到阻攔金屬渣的作用，在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)避免其阻塞型腔氣體排放。澆注系統(tǒng)要保證充型效果，還需要解決金屬鉻帶來(lái)的影響，主要對(duì)其帶來(lái)的冷隔、皺皮現(xiàn)象進(jìn)行改善。還要處理鉻元素產(chǎn)生的氧化膜。此外還要對(duì)澆筑時(shí)間、鋼液的質(zhì)量流率、包孔直徑進(jìn)行設(shè)計(jì)和控制，使其滿(mǎn)足鑄鋼件質(zhì)量要求。在這些參數(shù)中，包孔直徑會(huì)與鋼液質(zhì)量流率之間互相產(chǎn)生影響，相關(guān)人員還要在數(shù)次實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)數(shù)據(jù)、總結(jié)規(guī)律，分析兩者關(guān)系。最后還要對(duì)組元截面積進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算，使?jié)沧⑾到y(tǒng)的尺寸滿(mǎn)足要求。

2.3密封性能及討論

壓力容器的密封性能與系統(tǒng)剛度分布、密封面尺寸和工藝處理有關(guān)。高溫高壓閥門(mén)主要考慮的密封區(qū)域一般在密封連接處與密封面上。本文中的閥門(mén)采用的高壓管道連接方式是液壓中高壓和高溫連接行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)形式，可以保證反復(fù)拆裝;密封面采用錐面密封，密封性能好，閥桿使用透鏡密封墊和石墨密封填料共同作用，以滿(mǎn)足密封要求。在實(shí)際使用中，由于介質(zhì)壓力較大，閥門(mén)手輪的預(yù)擰緊力也較大，若能減小閥體內(nèi)部通道直徑則可以有效減小作用在閥桿上的密封力，操作手輪啟閉閥門(mén)將更加省力。

2.4鑄造工藝設(shè)計(jì)

（1）鑄件收縮率的確定。該鑄件選用的CF8C材質(zhì)屬于奧氏體不銹鋼，在受阻收縮的請(qǐng)況下，結(jié)合鑄件結(jié)構(gòu)形狀，鑄件外腔縮尺采用2.0%，內(nèi)腔縮尺采用1.5%。（2）分型面選擇。閥門(mén)要求各管道中心線在同一平面上，各環(huán)形管道補(bǔ)縮較困難，因此，以三個(gè)管口的中心所在平面為分型面，將鑄件分為上下兩半。分型面的選擇經(jīng)過(guò)閥門(mén)鑄件各管口的中心，使分型面所在的平面為閥門(mén)鑄件的最大截面，保證閥門(mén)鑄件各管口軸向中心線在同一平面上，減少鑄造砂芯的使用，減少了下芯合箱裝配偏差，避免澆注后形成披縫，提高了閥門(mén)鑄件各部位相對(duì)尺寸精度和表面質(zhì)量，造型較方便簡(jiǎn)單。（3）澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)。閥門(mén)鑄件澆注系統(tǒng)采用底注式澆注系統(tǒng)。底注式澆注系統(tǒng)內(nèi)澆道基本上在淹沒(méi)狀態(tài)下工作，充型平穩(wěn)，可避免金屬液發(fā)生激濺、氧化及由此而形成的鑄件缺陷;無(wú)論澆口比是多大，橫澆道基本工作在充滿(mǎn)狀態(tài)下，有利阻渣，型腔內(nèi)的氣體容易順序排出。CF8C材質(zhì)合金元素Cr含量較高。Cr熔點(diǎn)高，使鋼液液相線溫度上升，降低鋼液流動(dòng)性，澆注過(guò)程中易產(chǎn)生冷隔、表面皺皮等現(xiàn)象。Cr在鋼液中易氧化形成氧化鉻膜，充型紊亂時(shí)易產(chǎn)生氧化夾雜。澆注系統(tǒng)設(shè)置時(shí)應(yīng)充分考慮以上因素，保證充型快速、平穩(wěn)。（a）澆注時(shí)間。根據(jù)鑄件的液重可以按表4查出鑄件的大致澆注時(shí)間，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際確定鑄件的澆注時(shí)間。該閥門(mén)液重為9350kg，根據(jù)表4查出澆注時(shí)間在40～150s。為保證快速平穩(wěn)充型，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，澆注時(shí)間選擇t=105s。

結(jié)語(yǔ)

通過(guò)多種高溫金屬材料制造的閥門(mén)在實(shí)際工況條件下的應(yīng)力場(chǎng)和溫度場(chǎng)模擬仿真比較，篩選出熱傳導(dǎo)系數(shù)與熱膨脹系數(shù)較低，并且在高溫環(huán)境下仍有足夠強(qiáng)度的高溫鎳基合金材料GH4033作為閥門(mén)主體材料。對(duì)閥門(mén)進(jìn)行基于Ansys的熱固耦合應(yīng)力分析，閥門(mén)在工作過(guò)程中的最大應(yīng)力皆在材料容許范圍內(nèi)，能夠滿(mǎn)足使用要求。同時(shí)也注意到針對(duì)高溫高壓閥門(mén)設(shè)計(jì)時(shí)尤為關(guān)注的密封問(wèn)題，依然會(huì)受到現(xiàn)階段的材料工藝限制，且為了保證高壓設(shè)備的安全性，設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)安全裕量較大，結(jié)構(gòu)尺寸也偏大，閥門(mén)的制造成本比較高昂，這些問(wèn)題仍是現(xiàn)階段制作高溫高壓閥門(mén)需要重點(diǎn)考慮的問(wèn)題。

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