临氢阀门失效机理及可靠性评估方法

 共1页  1 

    高压临氢阀门结构复杂、工况苛刻，开展基于性能退化量的失效机理研究，有利于抓住影响阀门性能的本质因素，为阀门持续改进设计及新产品研制提供支撑。基于性能退化量，建立更先进的可靠性评估方法，相比于强度成败性评估、寿命数据评估等传统方法，具有样本量小、评估精细、可挖掘失效物理机制、能够指导后续可靠性设计等优势。

1  通过阀门工作过程数值模拟确认阀门薄弱环节与关键性能退化量

开展了充氢和未充氢阀门密封状态下的数值模拟、多种使用工况影响阀门性能的数值模拟、阀门疲劳寿命数值模拟等三方面研究工作。某工况条件下的阀门关键零件应力计算结果见图1。通过数值模拟研究，推动了阀门关键材料——超薄抗氢钢带材疲劳性能试验技术的发展，掌握了阀门在密封及疲劳加载下的薄弱环节与寿命，为开展阀门失效机理研究确定关键失效特征量、确定典型工况条件奠定了基础。

2  建立加速充氢试验技术

为了能在较短研究周期内为阀门零件营造与真实工况相同的内部氢含量与氢分布状态，研究并建立了加速充氢试验技术。基于Fick第二定律，获得圆柱形零件内部氢浓度与零件半径及充氢时间关系的计算模型，并通过比对试验验证了模型的正确性。建立的加速充氢计算模型见式(1)，式中，c是氢原子浓度；c₀是试样初始氢浓度；c_s是特定时刻试样表面氢浓度； 是试样中全部位置氢浓度的平均值；x_n是零阶贝塞尔函数J₀(x)=0的根，n=1, 2, 3, 4, 5×××；D为氢在试样中的扩散系数；t为扩散时间；R为试样的最大半径；r为试样特定位置的半径。以20 MPa氢压、473 K温度下的加速充氢为例，试验与计算数据对比见图2，计算获得的特定充氢时刻试样中氢含量与试验测试的氢含量相吻合，证明了计算方法的正确性。该方法的建立，能在短时间内使阀门结构材料内部的氢含量达到真实状态，另外，还可拓展用于其它类似产品及材料的氢脆效应研究，国内外鲜有此类方法的报道。

3  研制获得阀门性能自动化试验系统

为实现阀门开关寿命试验的自动化，提高试验效率，减少人工在阀门开关速率、力矩加载方面的误差，完成了阀门性能自动化试验系统样机研制。该系统包括力矩加载控制、供气与泄漏检测、数据采集与控制等三个单元，见图3。力矩加载控制单元主要对阀门进行反复开关操作，力矩控制范围0~30(N×ｍ)、控制精度达0.1 N×ｍ；供气系统与泄漏检测单元主要实现开关过程中的气体加注与检漏，最小可检漏率1′10^-11 Pa×m³/s；数据采集与控制单元实现对系统动作全过程的连动控制与数据采集、记录。

4  建立密封阀门性能退化量表征技术并揭示阀门失效机理×

性能退化量的表征研究主要针对阀杆表面摩擦磨损程度、阀头镀金层压痕尺寸、膜片塑性变形量三方面。基于材料分形理论，引入分形维数技术指标，将多尺度二维小波变换数学方法引入定量计算，建立了阀杆表面摩擦磨损形貌随开关次数变化的定量表征技术；利用高分辨率扫描电镜，实现了对阀头镀金层压痕尺寸随开关次数变化的定量表征；采用激光三坐标测量仪，精密测试膜片塑性变形量随开关次数的变化。基于建立的定量表征方法，揭示了阀门在使用过程中的失效机理以及氢同位素对失效机理的影响。

5  建立可靠性评估方法

建立了基于性能退化量的可靠性评估方法。基本思路是，分别获得特定开关次数下阀门各性能退化量的可靠度，然后相乘获得阀门总体可靠度(见图4)。该方法的应用既可以实现阀门内部零件单独评估，又可以实现阀门整体评估，还具有可反映阀门失效物理机理、适用于少失效或无失效情况、节约子样数与成本等优势。

基于集成创新思想，结合基于寿命与基于性能退化量的可靠性评估方法，建立了Bayes可靠性综合评估方法，其基本思想是将基于性能退化量可靠性评估结果转化为先验分布，将基于寿命可靠性评估结果转化成后验分布，结合进行Bayes评估。该综合方法的建立，即保留了前者可涵盖阀门故障模式，客观性较好的优势，同时又发挥了后者的优势。

    基于上述可靠性评估方法，开发出可靠性评估软件，该软件可以分别实现基于寿命的可靠性评估、基于特征量的可靠性评估、Bayes综合可靠性评估(见图5)。