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鍵的作用。現代科技發(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。

關鍵詞：高溫閥門；結構材料；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。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，以保證在高溫介質的情況下，避免零件之間出現卡死或是擦傷的現象，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，應當依據材料的熱膨脹系數、應力以及實際使用溫度來確定。

熱交變的影響。介質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構的選擇以及其效果評價等因素考慮在內。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，閥座和閥芯經常會出現擦傷的情況，它們出現擦傷主要是由于大的粒子進入而導致的。此外，振動的相關沖擊也可能出現很大的影響而發(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的范圍內。

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。

閥內件材料的選擇。熱膨脹系數應當被首先考慮，然后結合高溫狀況下運動部件的抗擦傷能力，二者結合實現對于閥內件材料的選擇。閥內件母體材料大多選316不銹鋼，以便于閥內件抗磨損性能的提高，以及氣蝕性能的提高。閥內件材料的選擇一定要結合實際的情況，選擇出適合使用，滿足相關要求的材料。如果想要保證高溫閥門對結構材料的要求，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，可以讓它們在高溫環(huán)境下正常工作。在高溫的環(huán)境下，出現的介質腐蝕一定會對材料選擇產生很大的影響，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生壓縮性的效果，然后在表面出現比較微小的縫隙。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。當介質對它施加壓力，可以向上移動時，就能夠對螺栓產生有效地牽制。閥蓋和彈性墊的密封壓力有著正向的聯系，他們可以隨壓力的上升而加強，最后可以產生很好的密封作用。

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，在適當的范圍內加強半徑的間隙。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高溫閥門內件的硬化處理

增強表面硬度和耐磨性。高溫閥門內件常常因為溫度過高，出現材料退火或是軟化的情況，這種情況很容易造成閥內件表面擦傷。為了減少這種損傷，應當提高閥內件在高溫環(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。可以在閥內件表面使用陶瓷或是合金，以增加閥內件表面的硬度和耐磨性能，保障閥內件可以在高溫環(huán)境下發(fā)揮應有的作用，延長其使用壽命。

堆焊層厚度。要想實現高溫閥門內件的硬化處理，還需要對堆焊層的厚度進行確認。通過相關實驗，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，減少外界高溫對內部材料的影響，保障閥門內件的使用壽命。

（作者單位：南方風機股份有限公司）