高溫閥門設(shè)計(jì)技術(shù)研究與分析

【摘?要】化工管道的閥門是控制化工原料流向和流量的關(guān)鍵性設(shè)備，而且還能起到良好的密封作用，管道閥門會(huì)受到高溫、強(qiáng)酸性、強(qiáng)氧化性等外界環(huán)境因素的影響，這些因素會(huì)嚴(yán)重降低閥門的機(jī)械強(qiáng)度和材料硬度，使閥門出現(xiàn)銹蝕、塑性變形、斷裂等問題。本文以高溫對(duì)閥門的影響作為研究對(duì)象，首先分析高溫對(duì)閥門的機(jī)械性能、材料的熱膨脹以及機(jī)械摩擦等方面的影響，根據(jù)分析研究的結(jié)果給出閥門體以及內(nèi)件的材料選擇方案，具有一定的理論參考價(jià)值。

【關(guān)鍵詞】管道閥門;高溫影響;機(jī)械性能;閥門體

1引言

隨著化工產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量要求的不斷提高，在化工管道中運(yùn)輸高溫液體的情形會(huì)越來(lái)越多，這種現(xiàn)狀對(duì)化工生產(chǎn)設(shè)備的工作性能提出了更嚴(yán)格的要求[1]。化工生產(chǎn)過(guò)程具有一定危險(xiǎn)性，所以化工原料在管道輸送過(guò)程中要嚴(yán)格保證管道的密封性，金屬材料在受到高溫高壓作用時(shí)其物理性質(zhì)會(huì)產(chǎn)生一定改變，在通常情況下在高溫環(huán)境下閥門的機(jī)械強(qiáng)度和硬度等性能都會(huì)有所降低，如果閥門長(zhǎng)期性工作在高溫環(huán)境下會(huì)發(fā)生蠕變和斷裂，這嚴(yán)重威脅化工生產(chǎn)過(guò)程的安全性，所以研究和設(shè)計(jì)專用于高溫環(huán)境的閥門是具有較大實(shí)際意義的[2]。

2高溫對(duì)閥門工作性能的影響

2.1閥門的機(jī)械性能

在高溫環(huán)境的影響下，金屬制成的閥門主要會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)方面的變化，第一個(gè)是閥門的機(jī)械強(qiáng)度，第二個(gè)方面是金屬材料的理化性質(zhì)，主要包括材料塑性變形量、彈性模量、硬度等等。

當(dāng)金屬閥門的工作溫度在450℃以上時(shí)就需要考慮材料的蠕變效應(yīng)，所謂蠕變效應(yīng)是指金屬材料在一定溫度和壓力的作用下出現(xiàn)緩慢微小且連續(xù)的塑性變形，如果閥門持續(xù)性處于蠕變狀態(tài)下會(huì)使閥門可以承受的壓力變小，在管道高壓作用下產(chǎn)生斷裂，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和人身傷害。所以在設(shè)計(jì)閥門是要盡可能避免金屬出現(xiàn)蠕變。

在應(yīng)力平衡值的選擇方面可以依據(jù)以下標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于常規(guī)的高溫閥門在正常工作20Kh閥門的總應(yīng)變量不大于1%;對(duì)于核電站閥門在正常工作30Kh閥門的總應(yīng)變量不大于1%。在某些情況下，即使閥門沒有出現(xiàn)蠕變也發(fā)生零件斷裂的問題，這是由于金屬在高溫環(huán)境下抵抗斷裂的能力有兩個(gè)指標(biāo)：長(zhǎng)期強(qiáng)度和持久強(qiáng)度，在材料沒有發(fā)生蠕變時(shí)高溫可能增加了金屬脆性，改變了金屬的持久強(qiáng)度，當(dāng)閥門承受較大沖擊時(shí)就可能發(fā)生斷裂。

2.2熱膨脹

熱脹冷縮是金屬材料普遍存在的性質(zhì)，熱膨脹是閥門與相連接的管道之間產(chǎn)生的物理變化，熱膨脹只是一種主要的熱物理變化還有其他形態(tài)的變化，它們發(fā)生的原理都相似但是具體的表現(xiàn)情況有所不同。熱膨脹是由于高溫流體首先是流向金屬管道的，金屬管道具有良好的導(dǎo)熱性，所以金屬管道已經(jīng)預(yù)先膨脹，但是管道和閥門采用的材料具有差異性，高溫的流體流向閥門相當(dāng)于冷態(tài)金屬突然受熱，而且閥門體具有良好的密封性和一定的厚度，導(dǎo)致熱量無(wú)法很好地傳導(dǎo)到外界，從閥門總體上來(lái)看其熱膨脹量要多于管道，這樣就可能會(huì)導(dǎo)致管道與閥門之間的連接處出現(xiàn)空隙，這對(duì)于高溫流體的傳輸具有泄漏的危險(xiǎn)性。

2.3機(jī)械摩擦

在高溫閥門中的機(jī)械摩擦是較為特殊的機(jī)械磨損形式，其發(fā)生原因是多方面的，除了常規(guī)的閥座與閥芯的配對(duì)問題、管路中的微粒摩擦閥門等等，高溫流體的溫度波動(dòng)也可能引起閥門內(nèi)部出現(xiàn)過(guò)度磨損的問題，由前文所分析的機(jī)械性能相關(guān)內(nèi)容可知，當(dāng)溫度超過(guò)一定范圍時(shí)，某些材料的硬度會(huì)急速下降，在通常情況下閥座和閥芯采用的材料是不同的，所以在高溫環(huán)境下的硬度表現(xiàn)會(huì)有所不同，我們?cè)谠O(shè)計(jì)閥門時(shí)最先需要考慮的是閥座和閥芯之間的配合問題，其次需要選擇硬度差異值較小的兩種材料作為閥門的制造材料，這樣就可以最大限度減少閥門過(guò)度磨損的情況出現(xiàn)。

3高溫閥門設(shè)計(jì)流程

3.1閥體和閥內(nèi)件材料的選擇

閥體是承受高溫流體的主要部件，所以需要選擇在高溫環(huán)境下機(jī)械性能表現(xiàn)良好的材料，在高溫高壓環(huán)境下合金鋼和不銹鋼的硬度保持性能要優(yōu)于碳素鋼，所以選擇閥體時(shí)可以考慮采用合金鋼或者不銹鋼，具體可以選擇鉻鎳鈦合金、鉻化硼系列合金以及耐鹽酸鎳基合金等等。閥內(nèi)件的選擇需要綜合考慮熱膨脹效應(yīng)以及高溫環(huán)境過(guò)度磨損等問題。所以在選擇閥內(nèi)件材料的同時(shí)，考慮采用堆焊硬質(zhì)合金或者陶瓷噴焊等表面硬化處理方式，來(lái)優(yōu)化閥內(nèi)件的耐磨損能力。

3.2閥內(nèi)件表面的硬化處理

采用硬質(zhì)合金或者陶瓷噴焊等表面硬化處理方式來(lái)加強(qiáng)零件表面的耐磨損能力是非常實(shí)用并且可行性較高的方式，陶瓷的主要材料是二氧化硅具有優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性，與化工生產(chǎn)常用的強(qiáng)酸強(qiáng)堿都不發(fā)生反應(yīng)。而且可以減小在高溫下閥內(nèi)件的熱膨脹量，在管道溫度達(dá)到800℃時(shí)依舊保持閥門良好的密封性。雖然這種表面處理方式有許多優(yōu)點(diǎn)，但是也存在諸多缺陷，例如當(dāng)采用堆焊硬質(zhì)合金的方式首先需要確定合理的堆焊層數(shù)和厚度，通常堆焊層數(shù)為3-4層，每一層的厚度要小于4mm，這對(duì)于操作人員的焊接技術(shù)提出非常高的要求，而且在表面處理后，各個(gè)部件的配合會(huì)出現(xiàn)差異。而采用噴焊陶瓷的方式會(huì)因?yàn)榱慵鱾€(gè)部位對(duì)陶瓷粉末的附著能力不同，導(dǎo)致零件表面陶瓷層分布不均勻，在噴焊陶瓷工序完成后要采用高硬度的磨砂輪對(duì)零件進(jìn)行磨削。

4 結(jié)論

在高溫閥門的設(shè)計(jì)中，溫度是最優(yōu)先考慮的問題，除了閥門的材料和表面處理需要嚴(yán)格要求之外，還可以對(duì)閥門的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，例如在過(guò)高溫度下閥座和閥芯的密封面都采用硬質(zhì)表面，加長(zhǎng)閥蓋頸長(zhǎng)間接降低閥門溫度，盡可能采用具有彈性結(jié)構(gòu)的閥芯和閥座以此減小熱交變效應(yīng)對(duì)閥門的影響，如果閥門與管道采用螺紋連接，連接處的密封環(huán)采用封焊用以減小發(fā)生泄漏的可能性。

參考文獻(xiàn)：

[1]莊偉彬，金秋來(lái)，甘泉，侯守坤.應(yīng)用于石化領(lǐng)域高溫工況的閥門選型分析[J].中國(guó)石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量，2020，40（20）：106-108.

[2]劉愛武.高溫平板閘閥失效的因素與改進(jìn)措施[J].化工管理，2020（25）：138-139.

作者簡(jiǎn)介：

施佳鋒（1986-02-14），男，漢族，江蘇啟東人，大學(xué)本科學(xué)歷，工程師，從事工作：機(jī)械設(shè)計(jì)。

（作者單位：江蘇神通閥門股份有限公司）