耿圣陶，王 渭，明 友，陳鳳官，余宏兵，2，葉曉節(jié)，2，徐亭亭，倪禹隆

（1.合肥通用機(jī)械研究院有限公司，合肥 230031；2.合肥通用環(huán)境控制技術(shù)有限責(zé)任公司，合肥 230088；3.通用機(jī)械關(guān)鍵核心基礎(chǔ)件創(chuàng)新中心（安徽）有限公司，合肥 230031）

0 引言

近年來，隨著超高壓技術(shù)的發(fā)展，超高壓閥門在聚乙烯生產(chǎn)、等靜壓處理、人造水晶、粉末冶金、食品壓力加工、水射流切割、試驗(yàn)裝置等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，超高壓閥門的使用工況十分惡劣，如超高壓（≥100 MPa）、高溫、腐蝕介質(zhì)、循環(huán)載荷、沖擊載荷、高頻往復(fù)動(dòng)作等。對(duì)閥門的性能要求很高，如高強(qiáng)度兼顧韌塑性的承壓鍛件、高可靠動(dòng)/靜密封、高精度壓力/流量控制等。

目前，國(guó)外能生產(chǎn)超高壓閥門的廠家如美國(guó)FISHER、Mc Caitney，德國(guó)UHDE、BASF，奧地利BHDT（B?HLER），可提供主要應(yīng)用于聚乙烯裝置的較大口徑（≤DN89）液壓或氣動(dòng)控制超高壓閥，其最大公稱壓力至PN 4000，另外，德國(guó)MAXIMATOR、Badger Meter 和瑞士SITEC，可提供主要應(yīng)用于水射流切割、動(dòng)力系統(tǒng)和試驗(yàn)裝置的小口徑（≤NPS1）手動(dòng)或氣動(dòng)超高壓閥，其最高使用壓力可達(dá)到1 050 MPa。由于超高壓閥門技術(shù)難度大，國(guó)內(nèi)可以生產(chǎn)超高壓閥門廠家極少，主要提供應(yīng)用于試驗(yàn)裝置的小口徑手動(dòng)超高壓閥?？傮w來說，國(guó)內(nèi)應(yīng)用的超高壓閥門幾乎全部進(jìn)口，國(guó)內(nèi)超高壓閥門的研發(fā)工作基本處于仿制階段，亟需加大投入力度，以求取得一定突破。本文從超高壓閥門典型失效模式和機(jī)理、典型結(jié)構(gòu)、閥體材料、閥體強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法及試驗(yàn)裝置和檢驗(yàn)5 個(gè)方面對(duì)國(guó)內(nèi)外超高壓閥門的研究進(jìn)行了梳理，并從材料、設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)和運(yùn)行維護(hù)等方面總結(jié)保障超高壓閥門安全使用的關(guān)鍵要點(diǎn)，以期為高可靠、高性能的各類超高壓閥門的開發(fā)提供參考。

1 超高壓閥門典型失效模式和機(jī)理

超高壓閥門的失效形式多種多樣，一般主要是閥內(nèi)件沖蝕破壞、閥芯和閥桿疲勞斷裂、填料密封失效、中法蘭密封處外漏、螺栓疲勞斷裂以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)密封件磨損失效等，極少出現(xiàn)閥體受壓爆裂情況。國(guó)內(nèi)外對(duì)超高壓閥門的失效形式和機(jī)理的研究進(jìn)展［1-13］見表1。

表1 超高壓閥門典型失效案例Tab.1 Typical failure cases of the ultra-high pressure valves

從表1 中可以看出，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)超高壓閥門失效模式和機(jī)理的研究，主要集中在LDPE/EVA 裝置中用于控制反應(yīng)釜反應(yīng)壓力的超高壓液動(dòng)減壓閥，以及用于控制管式反應(yīng)器反應(yīng)壓力和物料防堵的超高壓脈沖閥，使用工況非常惡劣，壓力高（≥210 MPa）、溫度高（≥230 ℃）、壓差也高（≥180 MPa），介質(zhì)為氣液兩相流，閥門長(zhǎng)期處于高頻調(diào)節(jié)動(dòng)作狀態(tài)。其主要失效形式為閥芯斷裂、閥桿斷裂、螺栓斷裂以及填料外漏。湍流、閃蒸和氣蝕引起閥桿和閥芯振動(dòng)產(chǎn)生的交變應(yīng)力是造成閥芯和閥桿疲勞斷裂的主要原因。螺栓材料強(qiáng)度不足以及閥內(nèi)脈沖循環(huán)壓力作用是造成螺栓疲勞斷裂的主要原因。高頻調(diào)節(jié)動(dòng)作以及填料安裝預(yù)緊力過大是造成V 形高分子填料加速磨損失效的主要原因。因此，基于上述疲勞失效形式和機(jī)理的分析，對(duì)于超高壓閥門的研制，需要從提高材料的疲勞強(qiáng)度、降低螺栓載荷水平、優(yōu)化閥內(nèi)流場(chǎng)以及選用高耐磨材質(zhì)填料等方面入手，以減少超高壓閥門失效發(fā)生的機(jī)率。

2 超高壓閥門典型結(jié)構(gòu)

超高壓閥門由于其特殊使用工況，要求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、安全可靠、長(zhǎng)壽命運(yùn)行。國(guó)外廠家生產(chǎn)的幾種典型超高壓閥門結(jié)構(gòu)［14］如圖1～5 所示。

圖1 SITEC 小口徑超高壓閥門Fig.1 SITEC small size ultra-high pressure valve

圖2 BASF DN76-PN3500 超高壓減壓閥Fig.2 BASF DN76-PN3500 ultra-high pressure reducing valve

圖3 B?HLER DN10/25-PN3600/325 超高壓安全閥Fig.3 B?HLER DN10/25-PN3600/325 ultra-high pressure safety valve

圖4 B?HLER DN32-PN3200 超高壓止回閥Fig.4 B?HLER DN32-PN3200 ultra-high pressure check valve

圖5 B?HLER DN60/32-PN2500 管線安全側(cè)流閥Fig.5 B?HLER DN60/32-PN2500 in-line safety side stream valve

合肥通用院生產(chǎn)的PN3500 級(jí)超高壓液動(dòng)控制閥如圖6 所示。

圖6 GMRI PN3500 超高壓液動(dòng)控制閥Fig.6 GMRI PN3500 ultra-high pressure hydraulically actuated valve

超高壓閥體一般采用六面體整體鍛件［15］。采用六面體結(jié)構(gòu)主要原因：（1）便于保證鍛件鍛造質(zhì)量，GB/T 34019 規(guī)定Cr-Ni-Mo-V 鍛件鍛造比應(yīng)不小于3，對(duì)于經(jīng)過電渣重溶的鋼錠，其鍛造比不小于2，這樣才能使材料的切向和徑向強(qiáng)度接近其縱向強(qiáng)度，從而得到比較理想的鍛件；（2）便于無(wú)損探傷，對(duì)于承受超高壓閥門，不允許有任何不完全的探傷和漏檢，有效檢出缺陷對(duì)閥門安全使用十分重要，尤其是針對(duì)表面和埋藏的微小缺陷檢測(cè)；（3）對(duì)于超高壓閥門，為防止因長(zhǎng)時(shí)間振動(dòng)引起的密封松弛和零部件疲勞破壞，需要將超高壓閥門牢固的固定在支架上，而在六面體閥體上通過埋入閥體的螺栓固定是一種方便可靠的方式；（4）對(duì)于需要熱媒保溫的超高壓工況，如高壓聚乙烯裝置LDPE/EVA 用超高壓閥，需要采用高溫蒸汽保溫，以保障高黏聚合物熔體流動(dòng)速度，可以在六面體閥體上鉆出熱媒通道。

超高壓閥門閥桿密封一般采用V 形高分子填料與銅合金隔環(huán)組合形式，其中V 形高分子填料用于實(shí)現(xiàn)自緊密封，溫度≤200 ℃時(shí)可采用純聚四氟乙烯，溫度為200～300 ℃時(shí)可采用添加MoS2的聚四氟乙烯，溫度為300～350 ℃時(shí)可采用添加碳纖維的聚四氟乙烯。銅合金隔環(huán)主要用于使整個(gè)填料函高度內(nèi)軸向壓力分布均勻，以及提高組合填料的整體強(qiáng)度，支撐填料以限制填料在超高壓力作用下的變形。填料所需的圈數(shù)與介質(zhì)壓力、閥桿直徑有關(guān)，壓力越高，填料函的高度越高，所需的銅合金隔環(huán)也越多，極限時(shí)每?jī)扇μ盍现g就加一銅合金隔環(huán)［16］。圖7 示出合肥通用院研制的可用于高壓聚乙烯裝置超高壓脈沖閥（設(shè)計(jì)壓力≤345 MPa，設(shè)計(jì)溫度≤350 ℃）閥桿密封組合填料。

圖7 GMRI PN3500 超高壓閥填料組件Fig.7 GMRI PN3500 ultra-high pressure valve packing assembly

超高壓閥門由于介質(zhì)的工作壓力為100～1 050 MPa 甚至更高，要保證閥芯的密封需要在密封面形成足夠的密封比壓，因此閥芯密封面采用錐面密封，密封面為60°或90°的錐面，閥座密封面保持尖角，或采用0.5×60°或0.5×90°的環(huán)帶，這樣的結(jié)構(gòu)相比平面密封而言，相同的軸向力可以產(chǎn)生更大的比壓。同時(shí)由于一般閥芯比閥座密封面硬，如果閥座密封面實(shí)際比壓超過必需密封比壓，由于閥座密封面尖角處塑性變形后產(chǎn)生的表面冷作硬化現(xiàn)象，軸向力的增加與閥座密封面的加寬并不成正比關(guān)系，從而有效地降低閥座密封面的實(shí)際比壓，進(jìn)而保障密封面可以繼續(xù)正常工作。超高壓閥門閥芯一般采用針形結(jié)構(gòu)，并通過設(shè)置閥籠實(shí)現(xiàn)重型導(dǎo)向。閥座有直接設(shè)置在閥體上，也有作為單獨(dú)零部件，其與閥體之間的密封，可以采用透鏡墊、錐形墊或者金屬密封圈等方式。

超高壓閥門驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)有手動(dòng)、電動(dòng)、氣動(dòng)、液動(dòng)等多種方式，相比氣動(dòng)或電動(dòng)控制等執(zhí)行機(jī)構(gòu)，由于液壓油的不可壓縮性以及較高的供油壓力，液動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出推力大、傳動(dòng)平穩(wěn)、反應(yīng)靈敏、易于控制，不僅可以有效地減小超高壓閥門執(zhí)行機(jī)構(gòu)的尺寸，而且通過采用電液比例/伺服控制技術(shù)，可以有效地提高閥門的響應(yīng)速度和控制精度，非常適合于對(duì)超高壓介質(zhì)的流量或壓力有精確控制要求的場(chǎng)合，也是目前超高壓閥門執(zhí)行機(jī)構(gòu)應(yīng)用的主流方向。目前在各高壓聚乙烯裝置中，比如住友釜式法、EXXON MOBIL 管式法和LYONDELLBASELL LUPTECH T 管式法中，用于反應(yīng)器反應(yīng)壓力和物料防堵控制的關(guān)鍵超高壓液動(dòng)減壓閥或脈沖閥均采用電液控制，用于精確控制反應(yīng)器的反應(yīng)壓力，將反應(yīng)壓力維持在工藝要求范圍內(nèi)，以及實(shí)現(xiàn)閥門入口壓力周期性的升壓和降壓，防止物料在反應(yīng)管內(nèi)堆積，保障LDPE/EVA 產(chǎn)出和質(zhì)量。崔玉瑋［17］對(duì)住友釜式法LDPE裝置中UHDE 超高壓液動(dòng)減壓閥的電液控制系統(tǒng)組合和原理進(jìn)行了介紹，并將其與改造前的FISHER 氣動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果表明：相比氣動(dòng)控制，采用電液控制可以將反應(yīng)釜的反應(yīng)壓力波動(dòng)從-2～2 MPa 降低到-0.5～0.5 MPa，有效保障了裝置的平穩(wěn)運(yùn)行。于向海等［18-19］對(duì)管式法聚乙烯裝置中BASF 超高壓脈沖閥電液控制系統(tǒng)組成和原理進(jìn)行分析介紹，結(jié)果表明，電液控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)超高壓脈沖閥的“控制功能”和“脈沖功能”，有效保障裝置的安全、穩(wěn)定運(yùn)行以及LDPE/EVA 產(chǎn)品質(zhì)量。

超高壓閥門與管道的連接部分，同閥門一樣承受著操作溫度下的脈動(dòng)應(yīng)力、機(jī)械振動(dòng)、腐蝕、沖刷和熱沖擊，其結(jié)構(gòu)形式主要有管接頭連接和法蘭連接兩種形式。各種典型的超高壓閥門與管道連接的結(jié)構(gòu)原理［14，20］如圖8 所示，密封方式和使用范圍見表2。

圖8 超高壓閥門與管道典型連接結(jié)構(gòu)原理Fig.8 Structural schematic diagram of typical connections between ultra-high pressure valve and piping

表2 超高壓閥門與管道的連接的密封形式和適用范圍Tab.2 Typical connections and seals between ultra-high pressure valve and piping and application conditions

3 超高壓閥體材料

超高壓閥體材料的選擇主要考慮到設(shè)計(jì)壓力、設(shè)計(jì)溫度、載荷性質(zhì)、循環(huán)次數(shù)、工藝介質(zhì)和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等，鍛件性能必須滿足機(jī)械強(qiáng)度高、塑性韌性好、斷裂韌性值高、疲勞強(qiáng)度高、可鍛性和淬透性好等基本要求。

TSG21—2016 規(guī)定超高壓容器用鋼鍛件，應(yīng)當(dāng)經(jīng)爐外精煉工藝并且經(jīng)真空處理，P ≤0.012%、S ≤0.005%，并且嚴(yán)格控制氫、氧、氮?dú)怏w含量及鉛、砷、錫、銻、鉍等有害痕量元素含量。鍛件的室溫力學(xué)性能：沖擊吸收能量KV2≥47 J；側(cè)向膨脹量LE ≥0.53 mm；當(dāng)抗拉強(qiáng)度Rm≤880 MPa 時(shí)，伸長(zhǎng)率A ≥16%；當(dāng)Rm＞880 MPa 時(shí)，A ≥14%。斷裂韌性K1C≥130 MPa·m1/2。SCHEDELMAIER等［21］調(diào)研了超高壓設(shè)備常用的低合金高強(qiáng)度鋼材料，認(rèn)為通過采用ESR（Electro-Slag Remelting）電渣重溶或VAR（Vacuum Arc Remelting）真空自耗電弧冶煉等精煉方法，來提高承壓鍛件的純凈度，可以有效提高材料的強(qiáng)度、斷裂韌性和沖擊韌性。

目前國(guó)內(nèi)外超高壓閥門廠家常用的閥體材料有低合金高強(qiáng)度鋼，如ANSI 4340、ASME SA 723、中國(guó)Cr-Ni-Mo-V 鋼和DIN 1.6580；高強(qiáng)度馬氏體不銹鋼，如DIN 1.4418；沉淀硬化型不銹鋼，如15-5PH、17-4PH；以及用于小口徑超高壓閥門的經(jīng)自增強(qiáng)處理的奧氏體不銹鋼，如316、316L。國(guó)內(nèi)外閥門廠家常用超高壓閥門承壓鍛件材料力學(xué)性能指標(biāo)見表3。

表3 國(guó)內(nèi)外閥門廠家常用超高壓閥門承壓鍛件材料力學(xué)性能指標(biāo)Tab.3 Mechanical properties of common ultra-high pressure valve body forgings of several domestic and foreign valve manufacturers

低合金高強(qiáng)度鋼一般可用于使用溫度達(dá)350 ℃的場(chǎng)合，但材料不耐腐；高強(qiáng)度馬氏體不銹鋼材料具有一定的耐腐蝕性，一般可用于使用溫度達(dá)到350 ℃場(chǎng)合；沉淀硬化型不銹鋼具有一定的耐腐蝕性，但一般使用溫度不超過315 ℃。

目前，國(guó)內(nèi)在低合金高強(qiáng)度鋼研究開發(fā)上取得了長(zhǎng)足進(jìn)展。王濤亮等［22］研究了低合金高強(qiáng)度鋼的在合金化、冶煉與軋制、熱處理等方面對(duì)其靜態(tài)響應(yīng)性能的影響，并簡(jiǎn)述了該類鋼在高應(yīng)變速率下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能。王衛(wèi)［23］系統(tǒng)地介紹了新型超高壓設(shè)備用Cr-Ni-Mo-V 系鋼的化學(xué)成分設(shè)計(jì)思路，并完成了試驗(yàn)件冶煉、鍛造及熱處理等設(shè)計(jì)工作，并分析了不同熱處理工藝對(duì)材料力學(xué)和組織性能的影響機(jī)制，最終開發(fā)出一種國(guó)產(chǎn)高強(qiáng)高韌均質(zhì)化Cr-Ni-Mo-V 鋼。

4 超高壓閥體強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法

國(guó)內(nèi)外尚無(wú)超高壓閥門相關(guān)可直接使用的設(shè)計(jì)制造標(biāo)準(zhǔn)，壓力管道閥門特種設(shè)備生產(chǎn)許可證均不覆蓋超高壓閥門。目前，國(guó)內(nèi)超高壓閥門設(shè)計(jì)制造主要參考GB/T 34019—2017《超高壓容器》、TSG 21—2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》、ASME BPVC Section VIII Div.3—2019《高壓容器建造規(guī)則》、API 579-1/ASME FFS-1—2016《Fitness-for-Service Evaluation》等國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。

（1）超高壓閥體最小壁厚的確定。

式中，pb為爆破壓力，MPa；Rp0.2為閥體材料在常溫下屈服強(qiáng)度的下限值，MPa；Rm為閥體材料在常溫下抗拉強(qiáng)度的下限值，MPa；K 為閥體在最薄弱處外徑和內(nèi)徑比。

式中，Ro為閥體最薄弱處外徑，mm；Ri為閥體最薄弱處內(nèi)徑，mm。

式中，p 為超高壓閥門設(shè)計(jì)壓力，MPa；Φ為設(shè)計(jì)溫度下閥體材料強(qiáng)度減弱系數(shù)，無(wú)量綱；nb為爆破安全系數(shù)，無(wú)量綱，合肥通機(jī)所等［15］認(rèn)為超高壓閥門爆破安全系數(shù)應(yīng)取3.5～4.5。

聯(lián)立公式（1）～（3），可以得到基于拉伸材料試驗(yàn)數(shù)據(jù)爆破壓力法的超高壓閥門設(shè)計(jì)壓力與壁厚關(guān)系式：

式中，δ為閥體最薄弱處所需的最小壁厚，mm。

陳孫藝［24-25］通過將超高壓脈沖閥長(zhǎng)方體形狀的閥體保守地等效為厚壁圓筒，利用式（1）～（4）對(duì)超高壓脈沖閥閥體進(jìn)行了靜強(qiáng)度校核，并利用有限元法對(duì)閥體在內(nèi)壓作用下的應(yīng)力、溫度和壓力耦合作用下的應(yīng)力及應(yīng)變進(jìn)行了數(shù)值仿真分析驗(yàn)證，成功論證該超高壓脈沖閥在運(yùn)行工況下，其閥體靜強(qiáng)度是足夠的。

（2）基于有限元法的超高壓閥體失效評(píng)定。

郝加封等［26］認(rèn)為按照高壓閥門標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的超高壓閥體壁厚較厚，且安全性和可靠性無(wú)法保證。超高壓閥門設(shè)計(jì)需要進(jìn)行有限元仿真分析，并進(jìn)行強(qiáng)度和壽命相關(guān)試驗(yàn)，理論計(jì)算與試驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合，以確保超高壓條件下閥門安全運(yùn)行。強(qiáng)度和壽命相關(guān)試驗(yàn)在設(shè)計(jì)階段難以實(shí)現(xiàn)，基于有限元法的數(shù)值仿真分析由于便捷易行，自然成為超高壓閥門設(shè)計(jì)的重要方法。

利用有限元方法對(duì)超高壓承壓閥體（包含閥蓋）進(jìn)行分析，由于超高壓閥門整體模型的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，網(wǎng)格生成時(shí)采用非主要部位生成非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格與應(yīng)力集中區(qū)域生成結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格相結(jié)合的方法。針對(duì)整體的裝配體結(jié)構(gòu)，先將各部件的網(wǎng)格單獨(dú)生成，最后將所有部件組裝得到的裝配體模型用于后續(xù)工況的模擬。網(wǎng)格類型可選Solid 187和Solid 186 單元，螺栓與基體、螺栓與螺母之間的接觸可采用“bonded”接觸對(duì)綁定，其余接觸可采用“frictional”接觸對(duì)，摩擦屬性考慮為鋼與鋼之間的接觸，摩擦系數(shù)一般取0.15。

通過采用彈塑性分析方法，載荷應(yīng)考慮放大系數(shù)，每種載荷工況組合均進(jìn)行彈塑性數(shù)值計(jì)算，計(jì)算中采用材料真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變模型、von Mises 屈服準(zhǔn)則和相關(guān)聯(lián)的流動(dòng)法則，同時(shí)采用非線性大變形分析方法。參考GB/T 34019—2017 提供的失效評(píng)定方法與準(zhǔn)則，對(duì)超高壓承壓閥體進(jìn)行局部過度應(yīng)變、塑性垮塌、棘輪失效評(píng)定。根據(jù)失效評(píng)定結(jié)果對(duì)承壓閥體結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

（3）超高壓閥體自增強(qiáng)設(shè)計(jì)。

對(duì)于超高壓閥門，隨著設(shè)計(jì)壓力的提高，無(wú)限制的增加壁厚，會(huì)造成閥體壁厚方向應(yīng)力分布極不均勻，而且當(dāng)介質(zhì)壓力大于0.58 倍殼體材料屈服強(qiáng)度時(shí)，壁厚再大也不能避免內(nèi)壁屈服［20］。自增強(qiáng)是通過在超高壓閥門工作前，在閥體內(nèi)壁施加一定壓力，使閥體內(nèi)壁產(chǎn)生塑性變形，卸除壓力后進(jìn)而形成殘余壓應(yīng)力，當(dāng)超高壓閥門工作時(shí)，介質(zhì)壓力形成的拉應(yīng)力與殘余壓應(yīng)力迭加，使內(nèi)壁表面工作應(yīng)力降低，進(jìn)而使應(yīng)力分布均勻化，彈性承載能力和疲勞強(qiáng)度提高［27］。高軍偉等［28］介紹了超高壓閥體自增強(qiáng)處理的4 種主要方法，即機(jī)械擠壓法、直接靜壓法、爆炸脹壓法和固體自增強(qiáng)法，并結(jié)合材料的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，研究了自增強(qiáng)處理對(duì)閥體材質(zhì)的要求，結(jié)果表明，高強(qiáng)度合金鋼材質(zhì)適合做自增強(qiáng)處理。李美求等［29］對(duì)比了基于自增強(qiáng)的超高壓閥體設(shè)計(jì)和常規(guī)超高壓閥體設(shè)計(jì)方法，分析結(jié)果表明，自增強(qiáng)可以使閥體材料得以充分運(yùn)用，有效減小超高壓閥體所需壁厚，進(jìn)而減小閥體外形尺寸。周思柱等［30］利用數(shù)值仿真軟件對(duì)超高壓閥體進(jìn)行了靜力學(xué)分析和疲勞分析，并對(duì)比了自增強(qiáng)閥體和常規(guī)閥體，結(jié)果表明，自增強(qiáng)能夠明顯改善超高壓閥體應(yīng)力狀態(tài)和提高超高壓閥體的疲勞壽命。

自增強(qiáng)處理能夠提高超高壓閥體的彈性承載能力和疲勞強(qiáng)度，并非自增強(qiáng)度（超應(yīng)變度）越大越好，一般根據(jù)徑比，閥體自增強(qiáng)度的范圍為30%～50%。具體而言，合適的自增強(qiáng)度必須綜合考慮閥體材料、結(jié)構(gòu)尺寸和工況條件等。最佳自增強(qiáng)壓力是超高壓閥體自增強(qiáng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)，通常取超高壓閥體壁上綜合應(yīng)力最小處作為最佳彈塑性界面，進(jìn)而計(jì)算最佳自增強(qiáng)壓力。但是現(xiàn)有的最佳自增強(qiáng)壓力理論計(jì)算方法均是針對(duì)厚壁圓筒的，對(duì)于復(fù)雜形狀的超高壓閥體尚未有明確的理論計(jì)算方法，尤其是在進(jìn)行自增強(qiáng)試驗(yàn)處理時(shí)，外壁面實(shí)測(cè)應(yīng)變是分析自增強(qiáng)處理效果的重要驗(yàn)證數(shù)據(jù)，但是目前只有厚壁圓筒外壁應(yīng)變與內(nèi)壁應(yīng)力分布對(duì)應(yīng)的理論關(guān)系式，并無(wú)復(fù)雜形狀超高壓閥體相應(yīng)關(guān)系式，這是超高壓閥體進(jìn)行自增強(qiáng)設(shè)計(jì)的難題。因此，通過結(jié)合基于有限元法的數(shù)值仿真分析方法開展超高壓閥體自增強(qiáng)設(shè)計(jì)，是目前使用的一種重要的工程方法。MA［31］將基于有限元法的數(shù)值仿真分析和基于第四強(qiáng)度理論的計(jì)算方法相結(jié)合，確定了超高壓閥體的最佳自增強(qiáng)壓力，并指出自增強(qiáng)處理要控制超應(yīng)變度，避免出現(xiàn)反向屈服。SLAWOMIR KEDZIORA等［32］提出了一種確定復(fù)雜形狀超高壓閥體最佳自增強(qiáng)壓力的方法，即通過非線性有限元仿真分析和疲勞分析相結(jié)合，以最大化疲勞壽命為目標(biāo)來確定復(fù)雜形狀閥體的最佳自增強(qiáng)壓力。

5 超高壓閥門試驗(yàn)裝置與檢驗(yàn)

利用超高壓閥門試驗(yàn)裝置開展超高壓閥門性能檢驗(yàn)是評(píng)價(jià)超高壓閥門可否投用的關(guān)鍵，通過出廠前對(duì)超高壓閥門開展強(qiáng)度試驗(yàn)、密封試驗(yàn)和各種功能性試驗(yàn)，可以降低超高壓閥門運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn)，減少發(fā)生災(zāi)難性事故的可能性，進(jìn)而最大限度保障生命財(cái)產(chǎn)安全。

TSG 21—2016、GB/T 34019—2017 提供了相同的超高壓容器耐壓試驗(yàn)最低試驗(yàn)壓力計(jì)算式（1），且規(guī)定超高容器耐壓試驗(yàn)一般采用液壓試驗(yàn)。對(duì)于超高壓閥門耐壓試驗(yàn)最低試驗(yàn)壓力的確定可以參照?qǐng)?zhí)行。陳孫藝［24］使用TSG R20002—2005《超高壓容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》提供的超高壓容器耐壓試驗(yàn)壓力計(jì)算方法，來確定超高壓脈沖閥的最低耐壓試驗(yàn)壓力。TSG R20002—2005 雖已于2016 年10 月廢止，其與TSG21—2016、GB/T 34019—2017 關(guān)于耐壓試驗(yàn)壓力計(jì)算公式也一致，但額外規(guī)定了耐壓試驗(yàn)的最高壓力不得超過設(shè)計(jì)壓力的1.5 倍。

式中，PT為超高壓閥門耐壓試驗(yàn)最低試驗(yàn)壓力，MPa；p 為超高壓閥門設(shè)計(jì)壓力，MPa；Rp0.2為試驗(yàn)溫度下超高壓閥體材料的屈服強(qiáng)度，MPa ；為設(shè)計(jì)溫度下超高壓閥體材料的屈服強(qiáng)度，MPa。

對(duì)于超高壓閥門密封試驗(yàn)可參照GB/T 13927-2008《工業(yè)閥門 壓力試驗(yàn)》執(zhí)行，即試驗(yàn)介質(zhì)是液體時(shí)，密封試驗(yàn)壓力至少是閥門在20 ℃時(shí)允許的最大工作壓力的1.1 倍，如閥門銘牌表示對(duì)最大工作壓力或閥門配帶的操作機(jī)構(gòu)不適宜進(jìn)行高壓密封試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)壓力按閥門銘牌標(biāo)示的最大工作壓力的1.1 倍。

祝捷［33］認(rèn)為超高壓閥截止閥液壓試驗(yàn)應(yīng)按照國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，即耐壓試驗(yàn)應(yīng)為38 ℃（100 F）下超高壓閥門最大允許工作壓力的1.5 倍，閥密封試驗(yàn)壓力為38 ℃（100 F）下最大允許工作壓力的1.1 倍。文獻(xiàn)［15］中認(rèn)為超高壓閥門耐壓試驗(yàn)壓力應(yīng)為公稱壓力的1.25 倍，密封試驗(yàn)壓力應(yīng)為公稱壓力。

對(duì)應(yīng)超高壓控制閥，需要額外進(jìn)行流通能力和流量特性運(yùn)行偏差的檢驗(yàn)，可以參照GB/T 30832—2014《閥門 流量流阻系數(shù)試驗(yàn)方法》或GB/T 17213.9—2005《工業(yè)過程控制閥 第2-3 部分：流通能力 試驗(yàn)程序》測(cè)量控制閥各開度下的流量系數(shù)。并根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果，按照GB/T 17213.9—2005《工業(yè)過程控制閥 第2-4 部分：流通能力 固有流量特性和可調(diào)比》判定實(shí)際固有流量特性和制造商規(guī)定的固有流量特性之間的允許偏差是否符合要求。

對(duì)于超高壓閥門專用試驗(yàn)臺(tái)架，目前可以成套供貨的廠家主要有德國(guó)UHDE 和奧地利BHDT，試驗(yàn)項(xiàng)目有超高壓閥門耐壓試驗(yàn)、密封試驗(yàn)、控制精度以及響應(yīng)速度等。

對(duì)于超高壓閥門疲勞試驗(yàn)臺(tái)架，徐鵬等［34］提出了一種400 MPa 超高壓疲勞試驗(yàn)裝置和方法，該裝置通過設(shè)置可控泄壓閥和阻尼器來控制泄壓速率，以梯形波壓力循環(huán)為基礎(chǔ)，在大梯形波試驗(yàn)壓力上限保壓段再疊加數(shù)個(gè)小梯形波，從而實(shí)現(xiàn)模擬超高壓閥門實(shí)際運(yùn)行時(shí)受到的壓力循環(huán)，檢驗(yàn)其疲勞壽命和極限。張厚俊等［35］介紹了一種350 MPa 液壓疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以產(chǎn)生4種鋸齒形波形壓力曲線，以模擬超高壓閥門運(yùn)行壓力循環(huán)工況，檢驗(yàn)其疲勞壽命。

6 總結(jié)和展望

超高壓閥門運(yùn)行時(shí)，內(nèi)部超高壓介質(zhì)儲(chǔ)存著巨大的能量，閥體壁應(yīng)力水平很高，一旦發(fā)生事故，將是災(zāi)難性的［27］，需要從材料、設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)和運(yùn)行維護(hù)等各方面保障超高壓閥門的安全使用。

（1）合理地選擇承壓殼體材料。不僅要強(qiáng)調(diào)高強(qiáng)度、高塑性，更要強(qiáng)調(diào)高純度、高斷裂韌性和高抗應(yīng)力腐蝕特性等。

（2）結(jié)構(gòu)完整性設(shè)計(jì)。不僅要對(duì)承壓殼體進(jìn)行靜強(qiáng)度校核，合理選擇安全系數(shù)，更要對(duì)承受交變載荷或頻繁間歇操作工況的超高壓閥門，進(jìn)行關(guān)鍵零部件的疲勞強(qiáng)度校核。

（3）密封結(jié)構(gòu)安全設(shè)計(jì)。每一個(gè)密封部位都要有泄放通道，以保障若發(fā)生泄漏情況時(shí)，泄漏的超高壓介質(zhì)都有泄放之處，防止產(chǎn)生大范圍過壓的危險(xiǎn)。

（4）控制系統(tǒng)安全冗余設(shè)計(jì)。動(dòng)力執(zhí)行機(jī)構(gòu)要確保故障時(shí)能夠保障閥門動(dòng)作若干個(gè)行程，各檢測(cè)儀表要做冗余設(shè)計(jì)。

（5）確保制造質(zhì)量。超高壓閥體內(nèi)壁應(yīng)力水平很高，微小的刀痕也會(huì)產(chǎn)生極高的峰值應(yīng)力，需要保障內(nèi)壁的表面光潔度。外壁雖然應(yīng)力較低，也要保證一定的光潔度。對(duì)開孔、拐角、溝槽和過渡截面等應(yīng)力集中區(qū)域，要保障加工質(zhì)量，同時(shí)要確保各零件幾何不連續(xù)處的過渡圓滑。

（6）完整、可靠的檢驗(yàn)。包括承壓殼體材料的化學(xué)成分、拉伸性能、沖擊韌性、硬度、低倍組織、金相（晶粒度、非金屬夾雜）、斷裂韌度、韌脆轉(zhuǎn)變溫度和無(wú)損檢測(cè)；各零部件的尺寸公差、形位公差和粗糙度；以及耐壓強(qiáng)度試驗(yàn)、密封試驗(yàn)和功能試驗(yàn)等。同時(shí)，超高壓閥門使用時(shí)要有嚴(yán)格的定期檢查，尤其要特別注意原始缺陷的擴(kuò)展情況。