余煜哲，刘忠伟，邓英剑

(湖南工业大学 机械工程学院，湖南 株洲，412007)

高压阀门在超硬质材料制造、化学工业、石油化工、水利系统、天然气运输、火电、核电、船舶、车辆、飞机等领域都有着广泛的应用，随着发展速度越来越快，我国对阀门的需求量也是日益增多，阀门一旦失效就会造成不可挽回的后果，故可靠性在阀门研究当中具有重要地位。一般而言，高压阀门常年处在高温、高压工况下，工作一定时间后就很容易发生泄漏、卡滞和振动等失效现象。为了发现影响可靠性降低的因素，利用FMECA分析方法将故障模式、影响以及危害性按照风险等级进行排序，将危险消除在早期阶段，并且将对阀体主要的失效部位进行可靠度分析，这对高温高压阀门阀体产品的设计具有重要意义[1]。

1 高温高压阀的FMECA分析

以强度性能、密封性和总体动作性能作为高温高压阀可靠性的依据。强度性能是指在阀门中的各个零件承受的介质压力的能力，对于高温高压阀而言主要部位为阀体、阀芯。密封性是指高温高压阀各个密封部位阻止介质泄漏的能力，主要是阀芯和阀座之间的配合关系，阀杆与填料之间的密封，阀体与阀盖的连接。总体动作性能主要包括阀门动作速度、灵敏度和动作稳定度，有无振动与噪声等。

FMECA方法的分析步骤如下[2-3]：

1)确定分析的范围并熟悉整个系统。对其系统组成、复杂程度、技术成熟度以及制造工艺流程和工作环境等进行分级与分类。

2)确定故障准则与确定分析层次。判断故障的层次，确定其复杂程度，分析其复杂性并进行划分。

3)进行故障模式影响分析。FMECA分为FMEA 与CA，FMECA包括故障的模式、原因、影响、检测方法以及补偿措施分析等。CA则是危害性分析，其通过故障发生的严重程度和故障发生的概率进行评估。一般性CA分为定性分析和定量分析2种方法。

4)绘制系统可靠性图并列出故障类型并分析其影响。

5)危害性分析。这是一种集故障的发生严重程度和其概率进行分类的综合性分类方式，能够有效地评价各个故障模式的影响，其中CA也分为定性与定量2种分析法，即故障模式发生度(ROP)与严重度(RES)等级，两者的乘积就是其故障模式NRP的评分准则，为

NRP=ROP×RES

风险优先数法是按照每个故障模式的风险等级进行排序，评分标准为见表1～3。

表1 故障严酷度类别(S)分析
Table 1 Fault severity classification(S)analysis

类别故障程度修复状况Ⅰ类灾难故障无法修复,造成大规模损失与伤亡Ⅱ类严重故障修复时间较长,可以修复Ⅲ类一般故障可修复,需要修复一定时间Ⅳ类细微故障基本无影响,基本维护修理即可

表2 故障模式严重度等级ESR评分标准
Table 2 Failure mode severity level ESR scoring criteria

等级故障程度影响情况1轻微不会对系统产生影响,基本察觉不到2,3低可察觉,轻微的系统故障4,5,6中等直接造成系统性能的下降的故障7,8高造成系统或子系统功能中断9,10非常高引起生命、财产损失的严重故障

表3 OPR评分准则
Table 3 OPR scoring guidelines

等级发生概率故障模式概率参考值/%1基本不发生极低的发生概率 <0.12,3很少发生 较低的发生概率 0.1～1.04,5,6偶尔发生 中等的发生概率 1～107,8时常发生 较高的发生概率 10～209,10经常发生 非常高的发生概率20

2 FMECA应用于高温高压阀

如图1所示，该图为高温高压阀门，该阀门采用的是球阀与锥阀的双密封凸轮传动结构。在阀门开启关闭时，球阀受到介质压力的冲击，长久以往会致使球阀发生变形与损伤，从而导致泄漏。锥阀在阀门关闭时，与阀座的碰撞也会导致损伤，导致配合度下降，密封性降低。

1、5—高压密封垫；2—阀座；3—笼套；4—阀芯；6—下截止阀杆；7—上截止阀杆；8—主动齿轮；9—主动凸轮；10—手轮； 11—被动凸轮；12—上球阀杆；13—离合器；14—被动齿轮；15—转接套；16—下球阀杆；17—球体；18—阀体图1 高压阀门结构图Fig.1 Structural drawing of a high pressure valve

2.1 系统任务分析

此高温高压阀门主要调节气压系统，介质为气体，其材料主要为25号钢。主要工作通道直径为30 mm，内部工作压力为17 MPa，保证有超过10 000次的使用寿命。

2.2 系统可靠框图的建立

高压阀门与大多数机械的组成系统相同，由图1可知：系统主要由18个零件组成，并且每个系统都是机械串联系统，有很高的可靠度要求，只要有1个零件无法正常工作，整个系统也将受到影响从而无法正常工作。在保证零件都能够正常工作的前提下，将系统简化为串联模型有利于阀门系统可靠性的研究，可靠性框图如图2所示。

图2 高温高压阀结构可靠性框图Fig.2 The block diagram of structure reliability for the high temperature and high pressure valve

图2中R1、R2到R18为单元的18个可靠性，则Rs=R1∩R2…∩R18，在研究中，假设Ri相互独立，则有P(RS)=P(R1)×P(R2)×…×P(R18)。

(1)

2.3 FMECA分析表格

因为失效常发生于主要承受压力部件，紧固件等非承载原件不予考虑，所以，主要是对主要部件进行分析。部分重要零部件失效影响因素如表4所示[4]。

表4 高温高压阀结构的FMECA分析表
Table 4 FMECA analysis table for high temperature and high pressure valve structure

代码零件功能故障模式故障原因故障影响局部影响高一层次影响最终影响严酷度设计改进措施危害度阀体开裂高温高压疲劳导致、流体的 冲刷 阀门内损 管道泄漏 大规模泄漏, 造成重大损失Ⅰ更换抗性更高的材料 3601阀体 阀门主体泄漏 密封圈老化、 垫片配合度不够 关闭不严、 内漏 阀门失效 大规模泄漏, 造成重大损失Ⅲ定期更换 21阀体连接处脱落拧紧力矩太小外漏 阀门失效 大规模泄漏, 造成重大损失Ⅲ更换强度大的螺栓螺母型号1402阀杆 带动阀芯上下运动断裂,磨 损强度、硬度不 够、振动 启闭装置无法正常运作阀门失效 系统无法运 作,工作停滞Ⅲ增加抗压强度或者更换更适合的材料 2103笼套 节流 堵塞、老化、磨损颗粒物增多且摩擦过大 启闭装置无法正常运作阀门失效 系统故障 Ⅲ及时更换 1404密封垫 紧贴阀体和阀芯起密封作用磨损、老化、有杂物介质的腐蚀及机械磨损、阀 门内腔不干净密封面泄漏管道内泄漏关闭不严 Ⅱ定期更换 32

2.4 FMECA分析总结

可以将高温高压阀视为一个系统，它由阀体、阀杆、笼套等系统组成。根据FMECA分析表可知其主要失效部位为阀体、笼套、阀杆，对其故障模式和故障原因进行分析，对各个部位的故障影响进行分级，并且提出了具体的解决方案和改进措施。综合以上的分析得出最终的FMECA分析表格，由于引入了危害性分析，故能实现对阀门的失效模式各个不同影响的评估。在这几种失效模式当中，泄漏主要是高温高压阀门主要的失效模式，因为阀门长期进行开闭工作，加上在内部压力的作用下，阀门的配合度和磨损都会导致泄漏现象发生。为了保证高温高压阀门能够正常平稳地工作，需要根据表4中严酷度对其主要故障部位进行维修与维护。阀门中的各个系统失效率都不相同，对于一些失效率较低的部位，在日常工作中不注意常见故障与消除方法，容易导致设备产生故障。系统中发生失效部位很多，但本文只对其最主要失效部位阀体进行可靠性分析[5-6]。

3 阀体的可靠度分析计算

3.1 应力-强度模型可靠度的计算方法

机械零件的可靠性分析通常是以应力-强度模型的计算方法为基础的，零件的失效也取决于受到的极限应力是否大于其允许的强度，若大于则会发生失效[7]。而在实际工作中，阀体所受的极限应力与环境带来的应力均为随机变量，并且呈现正态分布。从如图3所示的应力-强度分布干涉模型可见：随着时间的不断增加，衰弱曲线单调递减。而应力的分布与强度的变化则是随机变化的，故其干涉区(阴影部分)也是随着时间不断变化的[8-9]。

图3 应力-强度分布干涉模型Fig.3 Stress-strength interference model

由干涉理论可知“强度大于应力的概率P”为可靠度。R(t)=P(δ>S)=P(δ-S>0)=P(δ/S>1)，要满足此式则能保证零件不会失效。如图3所示，在时间为t0时，两分布间有一定的安全裕度；随着时间推移，强度逐渐退化，导致在时间t1时两分布发生干涉，既而产生失效[10]。求得零件或元件的可靠度表达式：

R=P(δ>s)=

(2)

式中：S为工作应力；δ为零件强度；f(s)为应力分布概率密度函数；g(δ)为强度分布的概率密度函数。

当应力和强度都服从正态分布时，式(2)有解析解：

(3)

式中，ZR为联结系数，也称可靠性系数

μs和μδ分别为应力S的均值和标准差；σs和σδ分别为强度δ的均值和标准差。

3.2 阀体强度可靠度的分析与计算

σδ=0.07×308=21.56(MPa)

(4)

高压阀门阀体内部为管道流通，为了便于计算，将内部工作部分近似认为是壁厚均匀的受内压容器，其直径偏差Δd控制在0.01d内，如图4阀体结构简图可知其工作通道d=30 mm。

图4 阀体结构简图Fig.4 Geometric diagram of the valve body

已知一般的受到内压的容器直径偏差Δd必须控制在0.01d以内，故本工作通道d=30 mm，按尺寸偏差计算公式得：Δd=0.01d=0.3mm，根据3σ原则，有Δd=3σd，故

所以，

(5)

已知高温高压阀门的工作介质压力为17 MPa，在一般工作状态下取阀内介质压力波动的变异系数为VP=0.05，则有μP=17 MPa，σP=VPμP=0.85 MPa。

(6)

阀体壁厚的计算公式为

(7)

由公式(7)有

(8)

式中：t为阀体工作区域壁厚，mm；d为阀体内径，mm；p为承受的压力，MPa；φ为焊接头系数。

在结构合理的情况下，确保焊接头是100%无损的情况下，焊接头系数一般取1[16]。由公式(8)得

(9)

所以有

σs=Vsμs=0.0511×28.9=1.4768(MPa)

查正态分布表可得其阀体强度可靠度R=1。

4 结论

1)根据高温高压阀门的结构与工况对其进行FMECA分析，可以确定高温高压阀门在工作过程中的主要失效部位为阀体、笼套、阀杆等，发现并列举出其影响可靠性的因素，将其消除在早期阶段。

2)高压阀门阀体结构的可靠度为1。在工作通道中，工作压力为恒定17MPa，本文为了便于计算，将内部结构做了简化，故阀体的可靠度具有一定的余度，具备可靠的工作能力，从阀体的角度来看，它是安全、可靠的。