高溫工況下閥門設計注意事項

來源：大連亨利測控儀表工程有限公司 2011年10月31日 12:00

摘要：本文闡述了高溫工況下閥門設計時，材料選用、結構設計等注意事項。
關鍵詞：高溫、蠕變、熱膨脹、硬度、塑變和擦傷。

      閥門（包括控制閥和工藝閥）在過程控制和工藝管線中的作用非常重要，而高溫工況下的閥門和常溫工況下使用的閥門又有很大的不同，因此，設計高溫工況下使用的閥門時，應注意以下幾點：
      高溫工況下，閥門設計注意事項主要包括：材料的強度，蠕變，熱膨脹率，抗氧化性，抗磨損、抗擦傷性能和熱處理溫度。零、部件間的間隙，熱循環對閥門密封，閥座墊片密封及導向套松動的影響。
      一、高溫工況下、閥門材料選用注意事項
高溫工況下、閥門在zui高工作溫度和zui高極限溫度下確定材料時，應注意所選材料以下幾個方面的性能：
      a、抗拉強度
      b、屈服極限
      c、蠕變和斷裂〔溫度≥800℉（427℃）〕
      d、高溫硬度
      e、沖擊強度
      f、高溫時效
      在高溫條件下，材料屈服限，抗拉、抗壓強度降低。當溫度在800℉（427℃）以上時，蠕變和斷裂應成為考慮材料破壞的主要因素。高溫下使用時，閥內件在負荷的作用下開始產生彈性變形，然后隨時間的延長繼續變形或產生蠕變。這時候材料產生塑性變形的應力，要比給定溫度下的屈服應力小。因此，在設計中，將應力取低一些，可避免發生蠕變或減小蠕變，但這樣會造成零件重量體積過大又不經濟。所以，設計者要知道在高溫下材料的蠕變率，選取合適的應力，使材料總的蠕變在正常使用壽命范圍內不擴展成斷裂或允許其產生小變形而不影響可動零件的正常使用。
      高溫情況下，為避免閥芯、閥座表面擦傷和損壞，還要考慮材料的熱硬度，防止金屬硬度變化。還要考慮高溫時效對材料物理性能的影響，例如：韌性、晶粒的變化，當使用溫度達到或超過熱處理溫度時，會造成閥芯、閥座產生退火、硬度降低等問題，為防止材料硬度發生變化，zui高溫度極限的選擇必須在一個安全的范圍內。
      高溫下材料的抗氧化能力，也是一個非常重要參數，在溫度循環變化中，所選用的材料應不會發生材料表面重復氧化，產生氧化皮等問題。
      一般情況下，不銹鋼系、硬質合金系及特種合金系的材料有較好的高溫穩定性，可根據不同的高溫工況，選用合適的材料。
      常用閥內件材料的使用溫度和硬度見表1

表1 閥內件常用材料的使用溫度和硬度

材料	下限：℃（℉）	上限：℃（℉）	使用硬度
304、316型不銹鋼	－268（－450）	316（600）	zui高HRC14
因科鎳（Inconel）合金	－240（－400）	649（1200）	HRC35～37（1200℉時）
K-蒙乃爾（Monel）合金	－240（－400）	482（900）	HRC27～35
蒙乃爾（Monel）合金	－240（－400）	482（900）	HRC30～38 HRC35（1200℉時）
哈氏合金（Hasloy）B	/	371（700）	HRC14
哈氏合金（Hasloy）C	/	538（1000）	HRC23
鈦合金	－196（－320）	316（600）	HRC28～35（70℉時）
杜里默特（Durimet）20（鑄件）	－46（－50）	316（600）	/
杜里默特（Durimet）20（鍛件）	－253（－425）	427（800）	/
司太立（Slite）6#	－273（－460）	649（1200）	HRC40～45（70℉時） HRC38 （1200℉時）
鉻化硼6#	－101（－150）	649（1200）	HRC56～61（70℉時） HRC44（1200℉時）
416型不銹鋼	－29（－20）	427（800）	HRC37～42
440型不銹鋼	－29（－20）	427（800）	HRC50～60
17－4PH不銹鋼	－40（－40）	427（800）	HRC40～45
化學鍍鎳	－268（－450）	427（800）	HRC16
鍍鉻	－273（－460）	316（600）	/

      二、閥門零、部件的間隙和散熱
      高溫閥門設計中，必須仔細考慮不同零、部件的熱膨脹對閥內件動作的影響。當高溫流體流過閥門時，由于閥座的質量較小，溫度上升很快，閥體的線膨脹系數往往小于閥座的線膨脹系數，所以閥體限制了閥座的徑向膨脹，閥座只能向內徑膨脹，使得在高溫下，閥芯、閥座的工作間隙，小于常溫下標準閥門設計的間隙，造成閥內件卡死。閥芯導向桿與導向套也會產生同樣的現象。因此，閥門在高溫下使用時，常溫下標準閥門的設計間隙（包括閥芯、閥座間，導向套、閥桿間）應當適當增加，這樣使其在高溫下工作也不會發生卡死現象。
      對泄漏量要求較高的場合下閥體和閥座盡量采用相同的合金鋼制造，并采用單座或籠式結構，盡量避免采用雙座閥結構，并在密封面進行硬化處理，以免在高溫下，閥門泄漏量大幅度增加。
      設計在高溫介質場合使用的閥門，還應考慮閥體、閥蓋及連接件工作在高溫下，材料承受由于高溫帶來的附加載荷，包括材料熱膨脹、蠕變等產生的附加載荷，避免由于附加載荷造成的破壞。
      溫度的循環變化會使閥座和導向套松動，因此必須采用密封焊和搭接焊來防松，閥座墊片的密封是在密封力大于墊片的屈服極限才能夠獲得，而在高溫、高壓及熱循環工況下，密封材料發生蠕變而產生滲漏，可采用整體閥座，由閥體上直接制成閥座并使之硬化，對于大口徑閥門，采用在閥體上焊接閥座的方法，去除墊片，避免不必要的泄漏。
      根據介質的溫度高低，還要考慮填料函中填料可承受的溫度及執行機構可承受的溫度。
      閥內件、填料函結構和使用溫度之間的關系
      450℉（232℃）以上，上閥蓋延伸，用較長的閥蓋閥桿散熱片保持填料密封。
      600℉（316℃）以上，間隙加大閥芯、閥座密封部分硬化處理。
      750℉（399℃）以上，所有螺紋連接的閥座將會泄漏，必須施加密封焊，防止松動。
      900℉（428℃）以上，所有導向套、閥芯導向和導向桿須表面硬化處理，導向套搭接焊。
      1050℉（566℃）以上，表面硬化，采用整體閥座、導向套。
      三、高溫周期性變化工況下密封結構：
      用于高溫周期性變化的閥座密封面結構如圖1。
      對于溫度周期變化的閥座密封面結構可采用圖示柔性閥座唇部結構，該結構用于零件膨脹造成密封線不圓及閥座的磨損有自動對中和補償作用，在高溫且溫度循環變化的情況下，有良好的密封效果。其密封是依靠柔性閥座密封部位的彈性變形實現的。

圖1

      計算高溫情況下，材料的密封比壓時，應考慮高溫情況下，其密封材料的強度極限、屈服極限都有所下降，選用合理的數值。
      四、高溫情況下，材料硬度的變化
      在高溫情況下，各種材料的硬度都有不同程度的下降。硬度下降增加了材料塑變和擦傷的可能。
      圖2是表面硬化材料司太立合金、鉻硼合金及部分不銹鋼熱硬度比較。

圖 2

從圖2中可以看出，416、440系列不銹鋼在溫度大于371℃（700℉）時，其硬度下降很快。而6號鉻硼系合金及6號司太立合金在溫度大于538℃（1000℉）時，其硬度才有所下降。

表2 316型不銹鋼高溫下的機械性能

機械性能	21℃（70℉）	659℃（1200℉）
強度極限（klbf/in2）	85	56
屈服極限（klbf/in2）	38.5	20
蠕變（100000h或11年中的1﹪）（klbf/in2）	※	6
斷裂（100000h）（klbf/in2）	※	12～16

※溫度低于800℉時，蠕變、斷裂無意義。

      五、材料的塑變和擦傷
      塑變是指一種金屬表面被其它材料擦傷，粘結在一起或表面滾成球形。它和溫度、材料、表面光潔度、硬度、載荷有關，并受到流體的影響，高溫會使金屬軟化或退火，增加其塑便和擦傷趨勢。
      塑變和擦傷會引起：（1）卡住閥門（2）損壞密封面（3）增加摩擦力，引起閥芯定位不準。
      管線流體中，如果夾有較大較硬的顆粒會把閥內件磨得粗糙不平，易產生塑變和擦傷。沖擊振動會造成零件承受沖擊表面、配合表面的破壞，有時也會引起塑變和擦傷。
      液體金屬，例如鈉、鉀，能夠去除金屬表面的氧化膜，在溫度≥204℃（400℉）時，極易產生擦傷且比較嚴重，應仔細選擇材料，避免擦傷的發生。
      防止金屬表面的塑變和擦傷的方法主要有：
      （1）零件采用硬度較高材料制成。
      （2）選用低塑變、低擦傷的配對材料，見表3。
      （3）對于相互配合的兩種零件，采用不同的材料制造。
      （4）在選用配合零件的材料時，保證配合零件材料的硬度上有5～10Rc的硬度差。
      （5）確定合理零件表面粗糙度和硬度，或者在零件表面采用特殊的覆蓋層，保證配合運動面的硬度差。
      （6）確定合理的載荷，根據載荷選用合理的材料及強度。
      （7）設計時，應根據高溫下不同材料的膨脹系數認真計算膨脹量，從而確定配合零件的尺寸，保證閥內件工作時一個適當的操作間隙。
      （8）在投入使用前，將閥門在低載荷及帶潤滑下試運行（磨合）。

表3 下列金屬配對具有低塑變、低擦傷趨勢

閥芯	導向襯套	性能
312不銹鋼	17－4PH不銹鋼	好
	400系列不銹鋼	好
	司太立（Slite）硬質合金	好
	鉻硼系合金	好
	因科鎳（Inconel）合金	好
304L不銹鋼	因科鎳（Inconel）合金	好
440C不銹鋼	440C不銹鋼	好
440C不銹鋼	17－4PH不銹鋼	好
工具鋼	17－4PH不銹鋼	好
蒙乃爾（Monel）合金	K-蒙乃爾（Monel）合金	好
司太立（Slite）硬質合金	司太立（Slite）硬質合金	*
司太立（Slite）硬質合金	因科鎳（Inconel）合金	*
鉻硼系合金	鉻硼系合金	*
杜里默特（Durimet）20	卡爾彭特爾（Carpenter）20	好
哈氏合金（Hasloy）B	哈氏合金（Hasloy）B	好

注：a、用于推薦的溫度極限及合適的負載和硬度。
b、在滑動接觸時，300系列不銹鋼自身配對使用時，極易產生塑變和擦傷。但閥芯、閥座間的密封除外。

六、總結
高溫情況下，閥門的設計比較困難，主要因為一般的制造廠沒有高溫檢測設備，無法驗證設計結果。一般多采用理論計算和實際經驗相結合的方法來進行高溫閥門的設計。本文提供的觀點和數據可供設計時加以參考。

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