摘 要 以高溫高壓角閥簡化后的閥座組件為研究對象，利用有限元法及Goodman圖法分析其服役過程中的應力情況與疲勞壽命，定性討論閥座熱裝預應力對閥門性能的影響以及出現(xiàn)焊縫開裂的原因。研究結(jié)果表明，出口焊縫開裂為疲勞破壞，溫度變化是導致焊縫開裂的主要因素；熱裝預應力的存在對閥門整體應力分布無影響，但造成進口焊縫平均應力幅值增加，降低了焊縫的疲勞壽命；而出口焊縫應采用U型坡口，可以提升其疲勞壽命。

關(guān)鍵詞 角閥 有限元分析 疲勞壽命 焊縫 Goodman圖

中圖分類號 TQ055.8+1 " 文獻標志碼 A " 文章編號 0254?6094（2024）04?0560?06

高溫高壓角式截止閥作為電力、航空航天、石油化工等領(lǐng)域的重要組成部分，用于控制介質(zhì)的快速打開與切斷，其安全性能對應用對象的正常操作和安全運行十分重要［1～3］，然而其閥體內(nèi)部用于固定鋼圈的焊縫頻繁發(fā)生開裂，存在安全隱患。QUE Z Q等通過對止回閥堆焊微觀組織分析研究，得到其開裂是由于制造過程中的凝固缺陷、組織中缺乏鐵素體相及可能未優(yōu)化的熱處理工藝造成的［4］。劉義忠等分析可知，高溫閥門開裂是閥體內(nèi)部出現(xiàn)腐蝕性熱疲勞而導致的［5］；王

磊等研究得到高溫閥門受到蠕變破壞的可能性高于疲勞破壞的可能性［6］；戴萬祥等利用連續(xù)介質(zhì)損傷力學對特種控制閥閥體蠕變損傷進行了評估［7］。上述研究僅關(guān)注了常見閥門的微觀分析、腐蝕熱疲勞、蠕變失效及疲勞失效等失效機理，未考慮預應力對高溫閥門服役過程中強度和壽命的影響。而關(guān)于角閥閥座因熱裝過盈存在預應力對角閥各部件強度和壽命的影響鮮有報道。

為分析預應力對閥座的影響，筆者基于有限元法和Goodman圖法，分析了角閥閥座組件簡化模型的應力變化和疲勞損傷，闡明預應力對閥座組件的影響，并對焊縫開裂原因進行分析［8～10］。

1 閥座組件有限元模型建立

高溫高壓角式截止閥的閥座組件由鋼圈、閥座和焊縫構(gòu)成。其裝配過程一般先通過熱裝工藝，對鋼圈與閥座施加過盈配合，在閥門進口端對兩者的端面進行焊接以保證密封。在閥門的出口端通過焊接將鋼圈固定在閥體內(nèi)部，此焊縫為工程實踐中發(fā)生開裂的焊縫。

建立如圖1所示的簡化模型以模擬高溫高壓角式截止閥閥座組件的裝配關(guān)系。模型網(wǎng)格劃分如圖1所示，共包含54 020個節(jié)點、27 061個實體單元，并對焊縫處網(wǎng)格進行了加密。

將閥座組件邊界條件進行簡化，閥門啟閉狀態(tài)溫度邊界條件如圖2所示，閥門輸送750 ℃高溫介質(zhì)，介質(zhì)壓力10 MPa，閥門外部設(shè)置流動的冷卻水進行冷卻。

2 預應力施加與驗證

工程實踐中，閥門處于空載狀態(tài)時，只有閥座和鋼圈存在預應力，其他各部件內(nèi)力應趨近于0 MPa，而服役過程中，預應力隨著溫度升高應有下降趨勢。角閥閥座組件不同裝配階段中參與裝配的部件和約束條件不同，因此預應力的施加成為分析的難點。采用生死單元技術(shù)和載荷步的設(shè)置控制不同階段的邊界和載荷條件，模擬各部件的裝配順序，完成閥座組件的裝配過程。鋼圈和閥座之間設(shè)置摩擦接觸，并在幾何修正中添加偏移值以模擬二者之間由于熱裝配產(chǎn)生的預應力。閥座組件施加預應力后應力分布如圖3所示。

由圖3可知，在空載狀態(tài)時，閥座和鋼圈因預應力而存在內(nèi)力，最大應力為151.73 MPa，其他各部件應力均接近于0 MPa。

為進一步驗證預應力的施加是否有效，分別在有無預應力的條件下，對閥座和鋼圈分別單獨進行熱力耦合分析。鋼圈在不同溫度載荷條件下的應力變化情況如圖4所示。

由圖4可知，在無預應力條件下，鋼圈等效應力隨著溫度的升高而增加；在有預應力條件下，鋼圈等效應力值隨著溫度升高而降低，當溫度高于200 ℃時，鋼圈變形超過預設(shè)的偏移值（過盈量），隨著溫度繼續(xù)升高，有預應力鋼圈的等效應力將小于無預應力鋼圈的等效應力，且兩者的等效應力差隨溫度的增加而增大。

綜上，空載和服役條件下鋼圈應力理論結(jié)果變化趨勢與實際情況相吻合，證明文中對閥座預應力的施加過程是有效的。

3 焊縫開裂分析及優(yōu)化

對于焊縫開裂的原因分析如下：一方面考慮熱裝預應力對閥座組件整體應力峰值的影響和焊縫的疲勞分析；另一方面討論溫度載荷和壓力載荷對焊縫應力分布的影響，判斷導致焊縫開裂的主要載荷因素。最后根據(jù)不同坡口焊縫的疲勞壽命給出降低焊縫疲勞破壞的優(yōu)化方案。

3.1 預應力對閥座組件應力分布的影響

本節(jié)討論服役過程中預應力對閥門各零部件應力分布的影響。分別計算考慮和不考慮預應力時各部件應力的分布情況。各相關(guān)部件的最大應力列于表1。

由表1中數(shù)據(jù)可知，預應力對閥座組件各部件的應力影響效果各不相同。相對于無預應力狀態(tài)，有預應力時，關(guān)閉工況下出口焊縫最大應力降低了54.295 MPa（40.28%）；開啟工況下鋼圈最大應力降低了22.540 MPa（12.89%）；其他組件在不同工況下最大應力變化皆小于5%，可認為是計算誤差導致的。

綜上，熱裝預應力的存在僅降低了出口焊縫的峰值應力，對閥門其他部件應力分布的影響基本可以忽略，即出口焊縫的開裂并非強度破壞導致的。

3.2 預應力對焊縫疲勞壽命的影響

在閥門開啟和關(guān)閉過程中，焊縫上的外力載荷為壓力和溫度載荷，屬于非對稱循環(huán)載荷。通過計算有無預應力時焊縫的疲勞壽命，判斷預應力對焊縫疲勞損傷的影響。疲勞壽命計算公

式［11］如下：

σ=（1）

式中 n——工作安全系數(shù)；

σ——應力幅；

σ′——零件強度極限；

σ——平均應力；

σ——對稱循環(huán)下零件的有限壽命疲勞極限，也稱為零件的條件疲勞極限。

根據(jù)σ的數(shù)值，從S?N曲線上確定破壞循環(huán)數(shù)N。當載荷較精準，且工作應力不超過設(shè)計應力時，n取1.0～1.4；σ′近似地取為材料的強度極限與分散系數(shù)K的比值，即：

σ′=（2）

分散系數(shù)受零件材料性能、熱處理、加工及加載等情況影響，在破壞循環(huán)次數(shù)N≤104時，K推薦取1.3［12］。

計算閥座組件有無預應力時焊縫的平均應力和應力幅并列于表2。

將表2中焊縫的平均應力和應力幅代入式（1）中，計算得到不同工況狀態(tài)下焊縫的σ值并繪制Goodman圖。圖5展示了不同工況狀態(tài)下焊縫的Goodman直線，橫縱坐標分別代表焊縫的平均應力和應力幅值，當σ為0 MPa時，所對應的σ的值即為σ值。σ值越小，材料S?N曲線上對應的破壞循環(huán)次數(shù)N越大。分析圖5可知，不同狀態(tài)下焊縫的σ值由大到小依次為：有預應力出口焊縫114.85 MPa、無預應力出口焊縫76.01 MPa、無預應力進口焊縫53.64 MPa和有預應力進口焊縫44.19 MPa。由此可知，預應力導致出口焊縫的σ值升高，破壞循環(huán)次數(shù)N減小，而進口焊縫的σ值降低，破壞循環(huán)次數(shù)N增大，預應力是導致出口焊縫開裂的原因之一。

3.3 溫度、壓力載荷對焊縫應力分布的影響

由3.2節(jié)可知，高溫角閥焊縫開裂原因為疲勞破壞，本節(jié)對其開裂影響因素進行研究。保持其他邊界條件不變，分別計算溫度載荷、壓力載荷單獨作用時閥座的應力分布情況。

開啟工況下，閥座單獨承受壓力載荷、溫度載荷和實際工況（溫度+壓力載荷）時，各零部件的平均等效應力如圖6所示。

觀察圖6可知，僅有溫度載荷作用時，其對應的應力多邊形與實際工況基本重合；僅有壓力載荷作用時，除鋼圈外其他各部件平均應力大幅度下降，鋼圈平均應力的升高，這是由于熱應力與預應力抵消效果消失導致的。由此可知，閥座組件應力變化由溫度變化主導。

通過仿真結(jié)果計算得到焊縫的溫度場極差和閥門啟閉過程中焊縫最大溫度的變化，計算結(jié)果如圖7所示。由圖可知，出口焊縫在閥門開啟條件下溫度場極差是進口焊縫的2.73倍；而在閥門啟閉過程中，出口焊縫處的最大溫度變化幅度是進口焊縫的1.78倍。由于出口焊縫在開啟工況下溫度場極差大、閥門啟閉過程中最大溫度變化幅度大，導致其受溫度載荷影響所施加的熱應力遠高于進口焊縫，因此在閥門的頻繁啟閉時，出口焊縫比進口焊縫先發(fā)生開裂。

綜上分析，溫度變化是導致出口焊縫開裂的主要原因，而預應力的存在導致出口焊縫的平均應力降低、應力幅增加，進一步降低了其所能承受的破壞循環(huán)次數(shù)。

3.4 不同焊縫坡口對焊縫疲勞壽命的影響

基于上述分析結(jié)果，討論采用U型和V型兩種不同焊縫坡口時出口焊縫疲勞壽命的變化規(guī)律［13］。不同坡口焊縫的平均應力和應力幅見表3。

由表3可知，焊縫選用U型坡口可以獲得較低的平均應力，選用V型坡口則應力幅較低。因此無法直接判斷兩種坡口形式對焊縫疲勞壽命的影響，需要進行疲勞壽命計算。

將表3中的數(shù)據(jù)代入式（1）中，計算得到焊縫的σ值并繪制Goodman圖（圖8）。

通過對比圖8中不同坡口焊縫的Goodman直線可知：進口焊縫選用兩種不同坡口，其疲勞壽命基本相同；出口焊縫選用U型坡口比選用V型坡口所能承受的破壞循環(huán)次數(shù)更多?？紤]到V型坡口比U型坡口的加工工藝簡單，建議閥座組件進口焊縫選用易加工的V型坡口，出口焊縫選用疲勞壽命高的U型坡口。

4 結(jié)論

4.1 閥座組件出口端焊縫開裂是疲勞破壞造成的，溫度變化是導致其開裂的主要原因；預應力的存在不會增加閥門各部件的峰值應力，但導致出口焊縫應力幅增加，促進了疲勞破壞的發(fā)生。

4.2 考慮到兩種焊縫的應力變化和焊縫坡口的加工工藝，建議進口焊縫采用易加工的V型坡口，出口焊縫采用疲勞壽命高的U型坡口。

參 考 文 獻

［1］ " ZHANG Y， XIAO Y Y， ZHANG S J， et al.Numerical evaluation on aerodynamic design of pressure?regulating valve in trisonic intermittent wind tunnel［J］.Advances in Mechanical Engineering，2021，13（8）：168781402110410.

［2］ " 侯峰偉，舒海峰，張峻賓，等.基于響應面法的風洞熱閥閥體結(jié)構(gòu)優(yōu)化［J］.化工機械，2023，50（2）：213-219；231.

［3］ " 符明海.壓力管道金屬閥門型式試驗中的常見問題及解決辦法［J］.化工機械，2019，46（5）：590-594.

［4］ " QUE Z Q，AHONEN M，VIRKKUNEN I，et al.Study of cracking and microstructure in Co?free valve seat hardfacing［J］.Nuclear Materials and Energy，2022，

31：101202.

［5］ " 劉義忠，盧振宇，楊哲一，等.燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組高溫閥門開裂原因分析［J］.閥門，2023（2）：244-247.

［6］ " 王磊，談建平，于新海，等.熱力耦合作用下閥門高溫結(jié)構(gòu)蠕變疲勞損傷研究［J］.機電工程，2023，40（5）：633-643.

［7］ " 戴萬祥，劉海波，何濤，等.特種控制閥高溫蠕變強度分析［J］.閥門，2022（5）：368-375；392.

［8］ " 陳遠.高溫球體閥座熱固耦合性能分析研究［J］.閥

門，2022（3）：196-200.

［9］ " 孫冰，余雛麟，高炳軍，等.基于ANSYS的超高壓反應器應力分析與校核［J］.化工機械，2021，48（3）：359-363；479.

［10］ " EJAZ M，MAHMOUD E R I，KHAN S Z.The investi?

gation of the fatigue failure of nickel?based superall?

oy 718 choke valve stems used in offshore subsea water injection service［J］.Engineering Failure Analy?

sis，2020，110：104434.

［11］ " 楊俊，王建，祁圣英.疲勞壽命分散系數(shù)的確定與應用研究［J］.航空發(fā)動機，2015，41（1）：16-21.

［12］ " 李舜酩.機械疲勞與可靠性設(shè)計［M］.1版.北京：科學出版社，2006：89-95.

［13］ " 喬永豐，雷玉成，姚奕強，等.坡口形狀對CLAM鋼焊縫抗輻照損傷性能的影響［J］.材料導報，2024，38（10）：132-139.

（收稿日期：2023-07-08，修回日期：2024-07-11）

Cause Analysis of the Weld Cracking of Angle Valve

Seat in Wind Tunnel

MENG Xiao?qiao1a， ZHANG Hong?li2，XUE Rui?yuan1a，b，ZHANG Yong?nan1a

（1a. School of Petrochemical Engineering； 1b. Wenzhou Pump and Valve Engineering Research Institute， Lanzhou University of Technology； 2. Sichuan Shujiao CNPC Energy Co.， Ltd）

Abstract " Taking the simplified valve seat’s assembly of high temperature and high pressure angle valve as the object of study， both finite element method and Goodman diagram were adopted to analyze both stress and fatigue life in the service process， including qualitatively analyzing the influence of valve seat’s pre?stress on the performance of the valve and the cause of weld cracking. The results show that， the export weld’s cracking is fatigue failure， and the temperature change mainly causes the weld cracking. The existence of hot loading pre?stress has no effect on the overall stress distribution of the valve， but it causes the average stress amplitude of the inlet weld to increase， and reduces the fatigue life of the weld. The outlet weld with U?shaped groove can improve its fatigue life.

Key words " angle valve， finite element analysis， fatigue life， weld， Goodman diagram

基金項目：甘肅省青年科技基金計劃（批準號：22JR5RA297）資助的課題。

作者簡介：孟曉橋（1997-），碩士研究生，從事閥門與密封技術(shù)的研究學習。

通訊作者：張黌立（1990-），高級工程師，從事化石能源及?；钒踩芾砉ぷ?，zhanghongli199008@163.com。

引用本文：孟曉橋，張黌立，薛睿淵，等.高溫角閥閥座焊縫開裂原因分析［J］.化工機械，2024，51（4）：560-564；595.