球閥閥桿的疲勞設計

2014-09-12 王玉成上海開維喜閥門集團有限公司

　　介紹了苛刻工況下頻繁啟閉的球閥閥桿疲勞分析設計方法。

1、概述

　　在煤化工和多晶硅等生產系統的管線中，壓力高，且交互變化，閥門開啟次數頻繁，需要長時間多次循環啟閉運行。閥門全行程快速開關時間迅速，容易造成閥門的失效，對閥門的各項性能提出了嚴峻的考驗。常規靜載下測定的屈服強度設計原則不能作為唯一的強度指標，有必要考慮相關的疲勞設計原則。本文以球閥閥桿為例探討疲勞分析設計方法。

2、分析

　　在交變壓力作用下，即使零部件應力低于屈服強度，但長期反復作用后，也會發生突然斷裂，即使是塑性較好的材料，在斷裂前也沒有明顯的塑性變形，該現象即為疲勞失效。

　　金屬結構不會因為應力交變而發生變化。從微觀組織結構分析，在足夠大的交變應力下，金屬中位置最不利或最弱的晶體，沿最大剪應力方向形成滑移帶。滑移帶開裂形成微觀裂紋，在構件外形突變( 圓角、切口、溝槽) 或表面切痕或者材料內部不均勻性及其缺陷部位，也會由于較大的應力集中引起微觀裂紋。分散的微觀裂紋經過集聚，形成宏觀裂紋。已經形成的宏觀裂紋在交變應力作用逐漸擴展，隨應力水平的高低時而持續時而停滯，此即為裂紋的擴展過程。即使該過程是緩慢的，并且是不連續的，但隨著裂紋的擴展，構件表面逐漸削弱，削弱到一定極限，部件便突然斷裂。很多零部件損壞是由于疲勞失效引起的。當構件應力不超過某一極限值，承受的循環次數可以無限增加，即構件可以經歷無限次循環而不出現疲勞，該交變應力的極限值即為疲勞極限或持久極限。

3、結構改進

　　為了有效提高閥桿的疲勞強度，改進了閥桿結構。

　　(1) 完全避免常規鍵槽機構、孔、缺口和軸肩，閥桿端部連接改用光滑的矩形結構，軸肩過渡部位采用盡量大的圓角過渡，加工過渡處設置減荷槽和退刀槽，有效降低應力集中，提高閥桿疲勞強度。

　　(2) 提高閥桿表面質量，閥桿的最大應力發生于表層，疲勞裂紋也經常在表層發生，加工過程中杜絕表面加工的刀痕和擦傷等，防止應力集中降低疲勞極限。采用高強度沉淀硬化不銹鋼，表面噴涂高硬度硬質合金后再磨削加工，硬度達60HRC，再進一步利用專用設備，機械滾壓形成高質量的表面加工，表面粗糙度達Ra0. 4μm，還使表層形成預壓應力，減弱容易引起裂紋的工作拉應力，保證充分發揮高強度的性能，顯著提高構件的疲勞極限。

　　(3) 在閥桿兩端設置兩處支撐軸承，減小閥桿徑向擺動，減輕非平衡載荷，有效提高閥桿運行穩定性，保證閥桿長周期運行。

　　(4) 階梯形閥桿，大頭端置于閥體內腔，小頭端伸出閥體外部，一旦閥桿發生破壞，危險截面位于閥體外，為系統提供安全保障。