高溫閥門設計問題研究

曾劍文

摘要：閥門是流體的控制活動里不能缺少的東西，在全部流體掌控中有著相當關(guān)鍵的作用?，F(xiàn)代科技發(fā)展非常迅速，在不同的行業(yè)都獲得了很大的突破和發(fā)展，所以對高溫閥門的需求也變得越來越多，而且對高溫閥門設計上的要求也變得越來越高。

關(guān)鍵詞：高溫閥門；結(jié)構(gòu)材料；性能

1影響高溫閥門設計的因素

熱膨脹量的影響。材料的熱膨脹技術(shù)以及零件承受熱載的差別等條件是直接導致熱漲量差別的主要因素。因此，在進行高溫閥門設計過程中，應當將這些因素的影響都充分考慮在內(nèi)。為了使得閥芯的溫度盡快與管線流體的溫度相一致，可以通過將熱態(tài)高溫流體導入溫度較低的閥門，使得橫截面積較小的閥桿完成對閥芯的散熱。由于閥座的散熱條件與閥芯不同，其膨脹量也有差別，雖然是同時加熱，但是最后的膨脹量等性能卻有所不同。因此，在確定閥門零件間的工作間隙時，應當增大其范圍，以保證在高溫介質(zhì)的情況下，避免零件之間出現(xiàn)卡死或是擦傷的現(xiàn)象，有效地減少零件因為溫度造成的損傷。但是間隙的增加量也一定要適中，應當依據(jù)材料的熱膨脹系數(shù)、應力以及實際使用溫度來確定。

熱交變的影響。介質(zhì)的熱交變性能也會對零件之間的相互作用造成一定的影響。譬如，閥座與導向套之間的連接就很有可能因為介質(zhì)熱交變的改變而變松，喪失了原有的密封作用。所以，在進行設計時，應當將閥座和支撐件的接頭處進行縫焊或者點焊，以確保其密封作用。另外，大口徑閥門應當使用本體堆焊閥座，以防止與介質(zhì)接觸過多的閥門零件因為受到交變應力的影響而過度疲勞，乃至于喪失了原有的作用。另外，在設計過程中，還應當將熱交變狀況下密封時彈性閥座結(jié)構(gòu)的選擇以及其效果評價等因素考慮在內(nèi)。也只有這樣才能夠從根本上減少熱交變對于高溫閥門設計的影響，減少零件的損傷，延長高溫閥門的壽命。

擦傷問題。要是材料的互相作用力很小，由于受到外界的制約和影響，就非常容易發(fā)生擦傷的情況。比如管路體系里，閥座和閥芯經(jīng)常會出現(xiàn)擦傷的情況，它們出現(xiàn)擦傷主要是由于大的粒子進入而導致的。此外，振動的相關(guān)沖擊也可能出現(xiàn)很大的影響而發(fā)生擦傷，因此為降低在使用活動里的擦傷現(xiàn)象，需要對密封材料進行合理的選擇，而且還要保證密封間里硬度的匹配控制在適當?shù)姆秶鷥?nèi)。

材料的機械性能。在高溫的條件下，材料的機械性能主要有兩方面的改變會發(fā)生，一是材料強度的改變，二是材料本身形狀的改變。除此之外，材料的硬度也會隨著溫度的變化而在一定的范圍內(nèi)波動。但是，材料的硬度會對閥門密封面的性能指標以及閥門的密封性能，還關(guān)系到閥門的使用壽命。閥門的環(huán)境溫度超過450攝氏度時，就應當考慮到在高溫環(huán)境下，閥門零件在發(fā)生可恢復的彈性形變之外，還會導致材料蠕變性能變差，極易發(fā)生斷裂。溫度不發(fā)生改變是，應力大的蠕變的速度就打，盈利保持不變時，溫度低的蠕變的速度也會減小。在同一種材料的前提下，應力和溫度共同決定了蠕變的速度。

2高溫閥門材料的選擇

閥體材料的選擇。高溫工況和介質(zhì)的腐蝕性都會對材料的選擇造成一定的影響，由于使用環(huán)境大多處于高溫環(huán)境，應當選擇質(zhì)量較好的碳素鋼、耐高溫合金鋼、以及不銹鋼等作為閥體的材料，也只有這樣才能保證閥體在高溫狀態(tài)下仍然能夠正常使用。

閥內(nèi)件材料的選擇。熱膨脹系數(shù)應當被首先考慮，然后結(jié)合高溫狀況下運動部件的抗擦傷能力，二者結(jié)合實現(xiàn)對于閥內(nèi)件材料的選擇。閥內(nèi)件母體材料大多選316不銹鋼，以便于閥內(nèi)件抗磨損性能的提高，以及氣蝕性能的提高。閥內(nèi)件材料的選擇一定要結(jié)合實際的情況，選擇出適合使用，滿足相關(guān)要求的材料。如果想要保證高溫閥門對結(jié)構(gòu)材料的要求，就應該符合以下標準：硬度、沖擊力、耐擦傷力。我們對閥體里面的材料做出選擇的同時，應該將物質(zhì)的熱膨脹性作為一個重點。而且還應該考慮到高溫環(huán)境下部件損壞的幾率。閥體里面的材料經(jīng)過銹鋼制作，可以在表面上做到堆焊的處理，這樣可以保證閥體耐磨和氣蝕這些性質(zhì)，可以讓它們在高溫環(huán)境下正常工作。在高溫的環(huán)境下，出現(xiàn)的介質(zhì)腐蝕一定會對材料選擇產(chǎn)生很大的影響，因為是在高溫的環(huán)境下使用，所以應該選擇物質(zhì)屬性比較好的材料，例如碳素鋼、耐高溫合金鋼、不銹鋼等作為閥體的物質(zhì)材料，這才可以確保閥體在高溫環(huán)境下還能夠正常工作。

殼體在壁厚方面的設計。做殼體的設計時應該考慮在具體使用時可能會發(fā)生的壓力，而且應該把它設計為殼體耐壓固定值，這樣才能夠保證有充分的耐壓力，可以有效地將腐蝕減到最低的程度。中部的密封可以設計為強制伍德密封。它的原理是將法蘭螺栓做好緊閉，使密封墊片使用壓力產(chǎn)生壓縮性的效果，然后在表面出現(xiàn)比較微小的縫隙。在中溫小口徑閥門的設計中，這樣的強制性密封是很常用的。具體來說強制伍德密封是由以下部分組成：閥體、浮動閥蓋、密封環(huán)等。我們在進行升壓操作以前，應該對牽制的螺栓做好固定，將浮動的蓋上移。這樣做的目的是讓閥蓋以及彈性墊保持很好的密封能力。當介質(zhì)對它施加壓力，可以向上移動時，就能夠?qū)β菟óa(chǎn)生有效地牽制。閥蓋和彈性墊的密封壓力有著正向的聯(lián)系，他們可以隨壓力的上升而加強，最后可以產(chǎn)生很好的密封作用。

高溫螺栓做好連接的工作。因為螺栓需要在高溫環(huán)境下做工作，因此應該考慮幾個主要的問題：螺栓還有被連接的性能改變，力量的松弛，等等。針對以上問題我們可以做出下面的設計：第一，避免旋合的螺紋在高溫環(huán)境下出現(xiàn)咬死的情況。第二，除了進行科學合理的選材，還應該將螺紋設計為粗牙螺紋，在適當?shù)姆秶鷥?nèi)加強半徑的間隙。第三，鋼螺栓一旦長期處于300℃，就會發(fā)生力相對松弛的情況。因此一定要保證剩余的預緊力要高出需求值，要檢查聯(lián)接的穩(wěn)固性。間隙的配合要科學。閥桿，上密封座之間應該保證合理的間隙，在材料的熱膨脹指數(shù)上應該保證后者大于前者，不然就容易發(fā)生磨損的問題。

3高溫閥門內(nèi)件的硬化處理

增強表面硬度和耐磨性。高溫閥門內(nèi)件常常因為溫度過高，出現(xiàn)材料退火或是軟化的情況，這種情況很容易造成閥內(nèi)件表面擦傷。為了減少這種損傷，應當提高閥內(nèi)件在高溫環(huán)境下的硬度以及沖擊強度，并適當增技巧其應對沖刷以及腐蝕的能力?？梢栽陂y內(nèi)件表面使用陶瓷或是合金，以增加閥內(nèi)件表面的硬度和耐磨性能，保障閥內(nèi)件可以在高溫環(huán)境下發(fā)揮應有的作用，延長其使用壽命。

堆焊層厚度。要想實現(xiàn)高溫閥門內(nèi)件的硬化處理，還需要對堆焊層的厚度進行確認。通過相關(guān)實驗，可以確定堆焊層的最適宜厚度應當在4毫米以上，這樣的厚度可以更好地隔絕外界環(huán)境的高溫，減少外界高溫對內(nèi)部材料的影響，保障閥門內(nèi)件的使用壽命。

（作者單位：南方風機股份有限公司）