1. 研究目的与意义（文献综述包含参考文献）
文献综述
1引言
脉动阀是一种气压传动中的专业控制阀，它的工作特点类同于通用电磁阀，只是阀芯的工作状态是按设计要求进行往复运动，从而在一般稳定气压起源输入的情况下，得到所需的脉动气压输出。它的另一个特点是经济效益特别好，造价便是通用电磁阀的三分之一左右[1]。但是在我们的工业生产过程之中，有70%左右的故障是来自我们的调节阀，那么脉动阀作为其中的一个典型特例，尤其是它的往复运动，更加会增加它的失效的概率[2]。所以脉动阀导向套断裂，阀杆头部凹坑、表面损伤等都是我们要研究的课题。本课题是解决在用脉动阀的导向套碎裂、脉动阀阀杆头部出现凹坑以及脉动阀阀杆杆体表面损伤的课题，（Guidesleeve/导向套材质为：RM3/X4CrNiMo16-5-1）(Din1.4418)，借助失效分析，对失效件进行分析查找失效原因，以免正常生产受到影响。
2基本失效形式及原因分析
想要研究脉动阀必须知道其构造，可见下图[3]
导向套是脉动阀工作系统的重要部分，也是比较薄弱的环节。阀杆在脉动阀中作往复运动，导向套同时也承受交变载荷，如果受力较小，所受所受应力明显小于耐久极限时,则无数次的正反载荷循环都不会使其损坏。但是,如果承受的应力接近甚至超过耐久极限时,就可能因逐渐损伤而导致破坏,即所谓的疲劳破坏。疲劳损坏的阀杆或者是导向套断面具有非常明显的特征,即逐渐损坏的部分因2个面相互研磨而显得非常光滑;由于超过了弹性极限而损坏的断面则很粗糙。总的来说,它们的损坏都是由疲劳破坏造成的。影响钢材疲劳极限的因素有应力大小、周围环境的腐蚀特征、零件表面形状及工作应力范围等[4-6]。
其失效的形式有如下几种：
（1）脉动阀的阀杆及导向套碎裂：
（2）断裂原因：过度部分没有采用圆滑过度，应力集中。阀杆在交变应力的反复作用下,导向套和键槽顶部棱角处受到撞击,呈小锯齿状剥落,由此薄弱环节,产生疲劳源,随之发展直至断裂；另外由于频繁的振动产生疲劳，也会导致阀杆杆体或者导向套的断裂，此为疲劳损坏[7]。
（2）脉动阀阀杆头部出现凹坑
（3）脉动阀阀杆杆体表面损伤
图1.2.2脉动阀基本构造
磨损最严重的地方是平衡孔附近,实验表明，在电子显微镜下观察到这片区域裂纹残留痕迹是在机械应力作用下金属疲劳裂纹扩展的山形特征,破裂的地方约为初始厚度的2/3处,裂纹最初出在位于垫圈槽表面,同时还有许多次裂纹贯穿主裂纹,次裂纹较直,并且取向主裂纹相似,这表明裂纹的扩展是由方向不同的多重冲击载荷造成的[9]。此外，关于阀杆的表面损伤，原因有两点：第一就是密封圈沟槽间隙内有金属坚硬物，那么坚硬物就会被阀杆紧紧卡住，并在阀杆的往复移动中刮伤阀杆，而如果坚硬物被阀杆拖动，则会刮伤阀杆密封；第二就是脉动阀的频繁启闭导致被刮伤的概率增大[10]。
3脉动阀失效的实验研究
3.1阀杆及导向套的断裂分析及实验研究
整体断裂是机械零件失效程度最严重的形式,引起整体断裂的原因有两种:一种是零件在受拉、压、弯、剪、扭等外载荷作用时,由于某一危险截面上的应力超过零件的强度极限;另外一种是零件在受变应力作用时,危险截面上发生疲劳断裂。对于该阀来说,两种断裂原因产生的可能性都存在,但究竟是哪一种起决定性作用呢?我们可对阀杆（导向套的分析也是类似的）的结构进行分析探讨,其分析计算过程如下[11,12]。
断口分析：
先从失效分析理论中的断口分析法的角度来分析。仔细观察一下D-D面断口的宏观特征,如图1.3.2所示。疲劳扩展区中有明显的贝纹线,这是由于阀杆
的往复弯曲形成的。阀杆受到物料的冲击是非对称的。迎着物料冲击的一面受的冲击力大,疲劳扩展区(一)面积大。背着物料冲击的一面受的冲击力小,疲劳扩展区(二)面积小。瞬断区是当疲劳危险截面D-D面的剩余有效截面不能再承受外载荷时形成的,与脆断断口的宏观特征相似,断口平齐而光亮,不再有贝纹线,而是呈抛物线状的剪切韧窝。从这些特征分析,可以初步断定阀杆断裂是疲劳断裂[13,14]。
现场应用的节流阀有锥形阀、楔形阀、多孔节流阀等类型,下面以现场普遍使用的锥形阀为例进行受力分析。
1.结构几何模型
2.作用在锥阀芯上的液压推力
钻井液中含有固相颗粒和气体,由于多相流理论还不成熟,目前还只能借用单相流理论来分析和计算。计算作用在锥阀芯上的液压推力(F)原则上可用两种方法,[15-18]一是先求出阀芯表面每点的表面力,再对整个表面积分以求出总作用力。此法计算工作量将繁重到实际上不能应用的程度。二是用流动液体的动量方程直接求出总作用力,即所谓控制体积法。
控制体积取在高压腔,设阀杆直径为,阀出口孔直径为,倒角处直径为,阀芯锥角为2α(见图1);阀的进口压力为,出口压力为,阀芯开启高度为x,从阀口流出液流速度为,液流的密度为ρ考虑到阀芯调节时位移变化缓慢,忽略瞬态液动力;并考虑一般情况阀座倒角不大,于是作用在锥阀芯上的轴向液压推力[19,20]:
(1)
式中：
因
则上式为
当F为正时,阀芯受到的轴向力方向向上,阀杆轴向受压;当F为负时,阀芯受到的轴向力方向向下,阀杆轴向受拉。根据阀的结构尺寸可计算出作用于阀芯上的轴向液压推力。
此外,阀芯的力学模型可以看成阀杆上部固定的悬臂梁(如图2)。由于液流从一侧进入阀腔,固相颗粒和气体也非完全均匀地分布于液体中,因此阀芯周围的压力和速度实际上并非中心轴对称,并且流场中同一点的速度、压力与密度随时间变化而变化,从而使阀芯受到随机变化的横向作用力,使阀芯产生横向振动。目前尚未见到这方面的具体研究报道,工程上还无法做出具体计算,仅能定性地考虑它的影响。
3.2脉动阀阀体表面损伤
在含有大量固体颗粒的高速流体冲刷下节流阀的阀座、阀芯和阀体不可避免地受到冲蚀磨损，冲蚀磨损乃是节流阀正常工作下失效的主要形式。有些井控专家认为，在40MPa以上的高压降下,现有节流阀(包括进口的)会很快失效。在这种工况下阀口关得太小，介质的流速已经很高，阀座、阀芯和阀体将受到严重的冲蚀磨损，而且当大的岩石颗粒堵塞阀口，造成阀前压力迅速升高，介质将以更高的流速从小的缝隙流过，水力切割阀座、阀芯，尽管阀座、阀芯是用坚硬的材料制作的，它也将被刺坏。阀杆是阀门的主要部件,作上下往复运动,阀杆与阀盖板(中法兰)连接处是阀门最易泄漏的部位,所以阀杆的密封很重要。该阀的阀杆密封采用上密封(O形圈密封)与填料密封相结合的组合密封,阀门中法兰中心孔内加工有内凸肩,凸肩中部加工有沟槽,沟槽内安装有O形密封圈,起支撑、固定、密封和导向作用。
阀杆和阀杆密封被刮伤的部位绝大部分是在阀门的下游侧,即远离油泵的那一侧。这是因为输油泵站主输油泵进出口闸阀的驱运动方式为电动驱动,主输油泵的启停由管道调度控制中心远程逻辑控制,离心泵在启泵过程中,出口阀先打到中间位,停泵出口压力升高后,阀才被完全打开。这样,阀门在开启过程中,闸板的两侧受力是不同的,上游侧的压力高于下游侧的压力,闸板在压差的作用下被挤向下游侧阀座,这样阀杆也会跟着向下游侧偏移,从而紧紧压向下游侧的上密封这时,如果O形密封圈沟槽间隙内有金属坚硬物,那么坚硬物就会被阀杆紧紧卡住,并在阀杆的往复移动中刮伤阀杆;如果坚硬物被阀杆拖动,则会刮伤阀杆密封。另一个现象是出现刮伤的阀门都是输油泵的出口阀,这是因为输油泵入口阀平时保持常开状态,少动作,而输油泵每启停一次,输油泵出
口阀就启闭一次,启闭次数越多,被刮伤的几率就越大。
综上所述,平板闸阀阀杆和阀杆上密封被刮伤的主要原因有3个:
(1)阀门在长时间运行中,在底阀腔和中阀腔内积聚了大量铁锈杂质;
(2)阀杆上密封配合间隙较大,阀门在开启过程中有坚硬物在水击作用下随油液进入配合间隙内;
(3)阀门在开启过程中闸板两侧存在较大的压差(2MPa左右),闸板在压差作用下会紧紧压向下游侧阀座密封面,阀杆也会随闸板向下游侧产生少量偏移,紧紧压向下游侧的密封件内壁。上密封间隙内的坚硬物与阀杆或阀杆密封件产生相对运动从而造成刮伤。[21,22]
4解决方案
4.1导向套的合理位置及角度
4.2提高阀杆及导向套的强度
4.3通过技术改造，提高阀门抗杂质能力
在进口管线上面安装过滤器，阻止杂质的进如
对阀杆上的密封技术进行改造，将密封圈前段做成防沙装置，采用迷宫米粉装置，内置设若干个依次排列的环形密封齿，，齿与齿之间形成一系列空腔，依靠节流间隙中的节流过程和密封腔中的动能耗散过程来实现密封，从而阻止杂质进入上密封间隙，就算有坚硬物突破了第一道齿，也会掉进密封室(空腔)内，很难再向上继续爬行[23-25]。
4.4加强设备维护保养，改善工艺操作
(1)定期对底阀腔排污，减少进入中阀腔内的杂质量。
(2)可以利用并联脉动阀定期切换运行，防止单个阀长时间运行造成阀腔内积聚过多的铁锈等杂质。
(3)及时清洗进站过滤器，滤网的目数不宜过低(一般取30目)，注意检查滤网是否有破损，若有破损立即更换滤网。
(4)保持工况平稳，尽量保持压力的稳定，从而减少阀门的开关次数。
4.5改进阀杆密封设计
由于对阀杆密封的技术改造受到法兰阀盖现有结构和尺寸的限制，所以提出如下改进建议。
由原来的先0形圈密封，后填料密封改造成先填料密封，后0形圈密封。采用内填式填料设计，填料段作为第一道屏蔽，主要起到过滤固体杂质及担当第一道密封的作用，因为填料与阀杆贴合很紧，杂质不易进入，填料密封比0形圈密封抗污能力要强得多。0形圈密封作为第二道屏蔽，起到进一步密封的作用。两种密封取长补短，实现防止杂质进入密封间隙损坏阀门的目的。
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2. 研究的基本内容、问题解决措施及方案
本文研究内容
阀门是石油、化工、电站、长输管线、造船、核工业、各种低温工程、宇航以及海
洋采油等国民经济各部门不可缺少的流体控制设备[9]，同时阀门机构是往复机械的重要部件之一也是易损件之一。那就表明了阀门损坏研究意义的重要性！
