介紹了流體供應系統用浮動球球閥結構和性能，以及故障閥門失效產生的原因和機理。基于ANSYS Workbench 平臺建立模型，依據閥門的工作特性，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

　　當流體介質為低沸點液體時，液體易氣化形成飽和蒸汽壓。如果閥體內腔留存了低沸點液體，在環境溫度大于沸點時，閥體內腔會因受到大于閥體材料屈服應力而膨脹過度，乃至失效。如用于某流體供應系統的球閥在管道兩端無介質情況下發生了大量介質泄漏。檢查發現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整，閥體連接處的密封調整墊片完全撕裂，閥座密封件撕裂，閥桿有明顯變形，閥門內部介質殘留較多。根據統計，流體系統曾多次發生過同類型球閥球體卡住和閥桿斷裂現象，嚴重影響了系統可靠性。因此，研究閥門故障產生機理對延長閥門的使用壽命和流體系統可靠性具有重要意義。基于計算機輔助工程(CAE) 技術，對閥門進行靜態分析與疲勞壽命分析。

2、結構及性能

　　球閥由閥體、閥座、閥桿和驅動裝置等組成，球體為浮動結構。利用球體繞閥桿的軸線旋轉90°實現閥門的開啟和關閉( 圖1) 。球閥的截止作用是由金屬球體在介質的作用下，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、流體介質為N2O4，環境溫度約20℃( 夏季) 的流體供應系統中。使用過程中，閥門內腔為1MPa 壓力的滿流狀態，閥門操縱氣壓力為5MPa。閥門在關閉過程中，閥體內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之間的可逆反應達到化學平衡時，其閥門內部壓力超過了閥門設計壓力，閥門球體和閥體產生不同程度的變形，閥門密封件發生撕裂破碎，閥門在動作過程中球體被卡住。經計算，球閥在關閉后未進行高點排氣和低點放液的情況下，其內部形成的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，超出了球閥的設計壓力。

圖1 閥門結構

6、結語

　　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。為防止球閥出現超壓力使用現象，延長其使用壽命，在閥門與管道設計時，應充分考慮閥門關閉后閥門球體內殘存介質對球體與閥體的壓力影響，尤其是沸點較低流體供應系統中的球閥，應在管路中設計排氣口和排液口，在閥門關閉后盡快排出閥門內的殘存介質。另外，在閥門球體與轉動拉桿安裝時，應盡量避免外力影響導致的球體變形。