介紹了流體供應(yīng)系統(tǒng)用浮動球球閥結(jié)構(gòu)和性能，以及故障閥門失效產(chǎn)生的原因和機理。基于ANSYS Workbench 平臺建立模型，依據(jù)閥門的工作特性，對球體和左閥體分別在不同載荷下的閥門疲勞壽命情況進行仿真和分析，獲得閥門球體和左閥體變形量、應(yīng)力集中和疲勞損傷大小及位置，并與閥門實際使用情況進行對比驗證。提出了改進措施和延長閥門壽命的方法。

1、概述

　　當流體介質(zhì)為低沸點液體時，液體易氣化形成飽和蒸汽壓。如果閥體內(nèi)腔留存了低沸點液體，在環(huán)境溫度大于沸點時，閥體內(nèi)腔會因受到大于閥體材料屈服應(yīng)力而膨脹過度，乃至失效。如用于某流體供應(yīng)系統(tǒng)的球閥在管道兩端無介質(zhì)情況下發(fā)生了大量介質(zhì)泄漏。檢查發(fā)現(xiàn)閥門密封圈因崩裂已失效，閥門球體部分破裂且整體變形嚴重，左右閥體連接螺栓的螺紋咬合卡塞無法調(diào)整，閥體連接處的密封調(diào)整墊片完全撕裂，閥座密封件撕裂，閥桿有明顯變形，閥門內(nèi)部介質(zhì)殘留較多。根據(jù)統(tǒng)計，流體系統(tǒng)曾多次發(fā)生過同類型球閥球體卡住和閥桿斷裂現(xiàn)象，嚴重影響了系統(tǒng)可靠性。因此，研究閥門故障產(chǎn)生機理對延長閥門的使用壽命和流體系統(tǒng)可靠性具有重要意義。基于計算機輔助工程(CAE) 技術(shù)，對閥門進行靜態(tài)分析與疲勞壽命分析。

2、結(jié)構(gòu)及性能

　　球閥由閥體、閥座、閥桿和驅(qū)動裝置等組成，球體為浮動結(jié)構(gòu)。利用球體繞閥桿的軸線旋轉(zhuǎn)90°實現(xiàn)閥門的開啟和關(guān)閉( 圖1) 。球閥的截止作用是由金屬球體在介質(zhì)的作用下，與彈性閥座之間相互壓緊來完成。閥座密封圈在一定的接觸壓力作用下，局部發(fā)生彈塑變形。這一變形可以補償球體的制造精度和表面粗糙度，保證球閥的密封性能。

　　球閥公稱通徑為400mm，操縱氣壓力為5MPa，工作壓力為1. 6MPa，閥體材料為鑄鋼，球體材料為1Cr18Ni9T，密封材料為PTFE 或PPL，材料許用應(yīng)力500MPa，彈性模量E = 172 ～206GPa，泊松比μ =0. 25 ～0. 3，使用壽命≤5 000 次。

3、失效機理

　　閥門安裝在管路通徑為Φ400mm、流體介質(zhì)為N2O4，環(huán)境溫度約20℃( 夏季) 的流體供應(yīng)系統(tǒng)中。使用過程中，閥門內(nèi)腔為1MPa 壓力的滿流狀態(tài)，閥門操縱氣壓力為5MPa。閥門在關(guān)閉過程中，閥體內(nèi)及其與球體之間的腔道中會積存大量N2O4。在未進行閥門高點排氣和低點放液的情況下，N2O4不能及時排出，閥門內(nèi)部封閉空間充滿N2O4、NO2的飽和蒸汽氣體和液體混合物。當N2O4、NO2之間的可逆反應(yīng)達到化學平衡時，其閥門內(nèi)部壓力超過了閥門設(shè)計壓力，閥門球體和閥體產(chǎn)生不同程度的變形，閥門密封件發(fā)生撕裂破碎，閥門在動作過程中球體被卡住。經(jīng)計算，球閥在關(guān)閉后未進行高點排氣和低點放液的情況下，其內(nèi)部形成的N2O4與NO2混合物在Φ400 的球腔里達到化學平衡時的壓力可達4. 41MPa，超出了球閥的設(shè)計壓力。

圖1 閥門結(jié)構(gòu)

6、結(jié)語

　　通過對閥門球體與左閥體在1MPa 壓力和4.41MPa 壓力兩種情況仿真計算，說明了球閥在1MPa 的壓力下使用是安全的，在4.41MPa 壓力下使用是不安全的。為防止球閥出現(xiàn)超壓力使用現(xiàn)象，延長其使用壽命，在閥門與管道設(shè)計時，應(yīng)充分考慮閥門關(guān)閉后閥門球體內(nèi)殘存介質(zhì)對球體與閥體的壓力影響，尤其是沸點較低流體供應(yīng)系統(tǒng)中的球閥，應(yīng)在管路中設(shè)計排氣口和排液口，在閥門關(guān)閉后盡快排出閥門內(nèi)的殘存介質(zhì)。另外，在閥門球體與轉(zhuǎn)動拉桿安裝時，應(yīng)盡量避免外力影響導致的球體變形。