高温高压阀门铸件制造工艺分析

陈首岐

摘要：在我国进入21世纪的新时期，我国的市场经济在快速发展，社会在不断进步，高温高压阀门铸件与普通阀门的制造工艺流程和要求均不相同，前者的制造过程系统性、复杂性更强，制造时相关人员应提前明确技术要求，做好工艺落实监督工作，使铸件质量满足客户要求和阀门应用环境要求。普通阀门铸件制造中需要用到铸造工艺和冶炼工艺，還会借助电弧炉返回吹氧法。无论采取哪种工艺，相关人员都要遵循制造要求，按照铸造流程落实工艺。

关键词：高温高压;阀门铸件;制造工艺

引言

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有限元分析

在工程中，当物体各部分温度发生变化时，物体将由于热变形而产生应变，当物体由于约束或出现温度不均匀时，热变形受到影响，则会在物体内产生热应力。热应力问题实际上是热和应力两个物理场之间的相互作用，属于耦合场问题。使用Ansys软件对阀门实际工况进行耦合场分析常使用间接法，先进行热分析，然后将求得节点温度作为载荷施加到结构应力分析模块中。根据结构尺寸，在SolidWorks2014中建立阀门三维实体模型，并通过SolidWorks与Ansys结合将文件直接导入Ansys中完成有限元模型的建立。

2.1稳态热分析

结合实际情况，对阀门进行热力学分析主要考虑热传递与热对流两个方面。对于稳态热传递过程中，物体的温度不随时间变化，系统处于热平衡状态，即流入系统的热能与系统内生成的热能等于流出系统的热能，相应的有限元平衡方程为：[K]{I}={Q}式中：[K]为传导矩阵，包括导热系数，对流系数、辐射系数和形状系数;{I}为节点温度向量;{Q}为节点热流向量，包含热生成。在本文描述情境下，热-结构耦合分析过程分为3步：1）分析阀门工作环境下温度场;2）将温度场等效为节点载荷载入结构分析模型中;3）结合热载荷与实际载荷进行耦合分析。由于阀门所应用实验装置的介质温度可达600℃，出于减轻阀杆密封面处热应力以及保证介质保温的考虑，阀体整体也处于600℃高温中，支撑杆及以上部分对流换热系数取5×10-6W/（mm2·℃）。

2.2铸造工艺设计

铸造工艺需要解决的难题有很多，相关人员要着重做好以下设计。一是铸件收缩率。铸件在应用中有可能会发生收缩，相关人员要将该收缩现象控制在一定范围内，使其不会影响铸件的功能发挥程度。基于此，应明确铸件收缩率。该参数确定时，还要考虑材料材质、铸件结构等因素，最终内外腔缩尺采用参数分别为2%，1.50%。二是分型面。有效选择分型面，解决环形管道同时补缩难题。将分型面作为所有管道中心线汇集位置，在设计中，相关人员需要找到管道中心，中心延长线汇集位置便是分型面。在分型面作用下，整体铸件会分成均匀的两部分。该平面的截面积最大，相关人员还要对轴向中心线汇集位置进行检查，看其是否只有一个平面。在铸造中，相关人员要控制砂芯使用量，这可以避免披缝的产生。三是浇注系统。浇筑方式为底注式，相关系统设计也要符合底注式要求。主要对浇道和浇口等进行设计，在浇道方面，要保证其抗腐蚀能力以及稳定性，如此其才能安全承受金属液带来的影响，避免出现各种缺陷。横浇道还要起到阻拦金属渣的作用，在设计时，应避免其阻塞型腔气体排放。浇注系统要保证充型效果，还需要解决金属铬带来的影响，主要对其带来的冷隔、皱皮现象进行改善。还要处理铬元素产生的氧化膜。此外还要对浇筑时间、钢液的质量流率、包孔直径进行设计和控制，使其满足铸钢件质量要求。在这些参数中，包孔直径会与钢液质量流率之间互相产生影响，相关人员还要在数次实验中，通过数据、总结规律，分析两者关系。最后还要对组元截面积进行准确计算，使浇注系统的尺寸满足要求。

2.3密封性能及讨论

压力容器的密封性能与系统刚度分布、密封面尺寸和工艺处理有关。高温高压阀门主要考虑的密封区域一般在密封连接处与密封面上。本文中的阀门采用的高压管道连接方式是液压中高压和高温连接行业的标准形式，可以保证反复拆装;密封面采用锥面密封，密封性能好，阀杆使用透镜密封垫和石墨密封填料共同作用，以满足密封要求。在实际使用中，由于介质压力较大，阀门手轮的预拧紧力也较大，若能减小阀体内部通道直径则可以有效减小作用在阀杆上的密封力，操作手轮启闭阀门将更加省力。

2.4铸造工艺设计

（1）铸件收缩率的确定。该铸件选用的CF8C材质属于奥氏体不锈钢，在受阻收缩的请况下，结合铸件结构形状，铸件外腔缩尺采用2.0%，内腔缩尺采用1.5%。（2）分型面选择。阀门要求各管道中心线在同一平面上，各环形管道补缩较困难，因此，以三个管口的中心所在平面为分型面，将铸件分为上下两半。分型面的选择经过阀门铸件各管口的中心，使分型面所在的平面为阀门铸件的最大截面，保证阀门铸件各管口轴向中心线在同一平面上，减少铸造砂芯的使用，减少了下芯合箱装配偏差，避免浇注后形成披缝，提高了阀门铸件各部位相对尺寸精度和表面质量，造型较方便简单。（3）浇注系统设计。阀门铸件浇注系统采用底注式浇注系统。底注式浇注系统内浇道基本上在淹没状态下工作，充型平稳，可避免金属液发生激溅、氧化及由此而形成的铸件缺陷;无论浇口比是多大，横浇道基本工作在充满状态下，有利阻渣，型腔内的气体容易顺序排出。CF8C材质合金元素Cr含量较高。Cr熔点高，使钢液液相线温度上升，降低钢液流动性，浇注过程中易产生冷隔、表面皱皮等现象。Cr在钢液中易氧化形成氧化铬膜，充型紊乱时易产生氧化夹杂。浇注系统设置时应充分考虑以上因素，保证充型快速、平稳。（a）浇注时间。根据铸件的液重可以按表4查出铸件的大致浇注时间，结合生产实际确定铸件的浇注时间。该阀门液重为9350kg，根据表4查出浇注时间在40～150s。为保证快速平稳充型，结合生产实际，浇注时间选择t=105s。

结语

通过多种高温金属材料制造的阀门在实际工况条件下的应力场和温度场模拟仿真比较，筛选出热传导系数与热膨胀系数较低，并且在高温环境下仍有足够强度的高温镍基合金材料GH4033作为阀门主体材料。对阀门进行基于Ansys的热固耦合应力分析，阀门在工作过程中的最大应力皆在材料容许范围内，能够满足使用要求。同时也注意到针对高温高压阀门设计时尤为关注的密封问题，依然会受到现阶段的材料工艺限制，且为了保证高压设备的安全性，设计的结构安全裕量较大，结构尺寸也偏大，阀门的制造成本比较高昂，这些问题仍是现阶段制作高温高压阀门需要重点考虑的问题。

参考文献

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