分析高溫閥門設計的有關技術

周平平

摘 ?要：閥門是流體控制活動中必不可少的基礎裝置，在整個流體控制過程中起到了至關重要的作用。在新時代科技水平不斷提升的背景下，各行業領域均取得了創新性地突破和發展，對高溫閥門的需求也逐漸趨于多元化。基于此，從高溫閥門材料的選擇和結構優化方面著手，通過分析高溫閥門設計的有關技術，研究高溫閥門設計方法，旨在為行業相關工作人員提供理論方面的參考依據，全面保障高溫閥門設計的質量以及為推進特殊領域高溫閥國產化的進程提供橫向參考。

關鍵詞：高溫;閥門設計;有關技術

引言

隨著我國現代發展進程的不斷加快，我國各個領域都迎來了新的發展機遇和挑戰，尤其對于新能源開發及化學工業，等靜壓處理，粉末冶金等行業而言，其對高溫閥門（介質溫度450℃以上）的需求量呈現出顯著增長趨勢，對高溫閥門的設計也提出了更嚴格的要求。在此背景下，相關行業工作人員對高溫閥門的設計予以高度重視，其設計重心也逐漸轉變為滿足行業發展需求、保證閥門運行安全等方面，并充分利用先進的信息技術手段不斷研發高溫閥門技術，為高溫閥門設計領域的發展提供了有力的技術支持。

1 高溫閥門材料的選擇

對于高溫閥門材料的選擇，具體可從以下三方面著手：

1.1選擇閥體材料

通常情況，高溫工況下介質特性和管線壓力對材料的抗腐蝕性和應力水平會有更加苛刻的并行需求，從而對材料的選擇造成多層次的限定約束性。而閥門的使用均在高溫工況下，因此在挑選閥體材料時，應盡可能根據介質成分擇優選取理化性能優良、力學性能穩定的耐熱合金鋼、高鉻鎳碳奧氏體耐熱鋼、以及耐熱鋼加耐火材料相結合的方式等作為閥門基礎材料。合適的材料可以保證閥門處于高溫環境下的運行穩定性和延長使用壽命等特點，為高溫管線的正常運行提供良好的前提保障。

1.2選擇閥內件材料

對于閥內件材料而言，在選取過程中必須充分考慮閥門的運行頻率，介質粘度以及溫度范圍變化和最高設計溫度時的膨脹率，確保閥內部件在高溫工況下相互之間的和諧共處，各自能夠穩定可靠的提供相應的功能作用，避免咬合、擠壓和被迫摩擦，從而科學挑選具有針對性的閥內件材料。通常來講，閥內件材料在選擇時要考慮各項性能優于閥體材料，以保證閥的穩定性和可靠性。目前市面上常用的閥內件材料諸多，可供選擇范圍較廣，科學有效的結合使用環境選擇相應材料，可以顯著提高閥內件的使用壽命。

1.3選擇密封部位材料

高溫密封材料優先考慮其熱膨脹率與周邊所使用的材料接近，這樣可避免其產生額外應力，防止密封材料的松弛和非正常流失。密封面選擇具有合適硬度差的材料，避免相互擦傷情況出現，將易更換件設置在低硬度側，便于點檢保養及降低維護成本。密封材料在高溫下的抗氧化，抗疲勞和熱循環性能也要需要充分考慮，其作為核心部件，直接關乎整臺設備的運行性能，所以更加需要慎重選擇。

在開展高溫閥門設計工作時，應結合實際情況科學挑選適合的材料，確保材料在實際使用過程中可完全勝任高溫工況，并能有效延長閥門的使用壽命，使其保養周期長于管線其他功能設備，從而降低工程企業的周期成本。閥門在實際工作過程中，高溫因素會造成直接的影響，因此相關工作人員在設計高溫閥門時，除了考慮閥門本身的使用溫度，還必須充分考慮閥門外圍的環境溫度變化對閥體材料的影響，以及閥門所處管線的裝配位置對閥體剛性的影響。

2 高溫閥門設計的有關技術

2.1 熱膨脹量

造成熱膨脹量存在明顯差異的主要原因普遍與閥門零部件承受的熱載、材料熱膨脹系數有關，即使相同材料的不同部件，相同條件加熱時，熱膨脹量也有所不同。然而為了達到理想的密封效果，閥芯內部零件多數采用不同材料，使得熱膨脹量各不相同，甚至差異較大。因此在設計高溫閥門時，必須充分考慮以上因素造成的影響。消除熱膨脹量所帶來的影響，通常采用加大閥內零件配合間隙來實現，此時需注意避免盲目加大空隙范圍，而是科學的根據材料的熱膨脹特性來確定合理的公差間隙，有針對性的調整，從而滿足熱膨脹所需的空間范圍，避免卡死及過度摩擦現象。并且在實踐過程中，應該使得高溫流體能平緩流經溫度相對較低的閥門，避免閥芯溫度在短時間內急劇變化而快速膨脹，使其逐漸與管線流體溫度相適應，達到逐漸變化的過程。

2.2 熱交變

閥門零部件在交互作用下，極易受到介質熱變性帶來的各種影響。例如，若介質熱變性發生改變，導向套和閥座之間的節點很可能發生松動現象，在一定程度上弱化了原有的密封效果。基于此，在高溫閥門設計過程中，應積極將支撐件和閥座之間的節點部位進行焊接，科學選擇縫焊或點焊的方式保證閥門的密封性。與此同時，對于大口徑閥門的閥座，還應盡可能選擇堆焊的方式進行表面硬化處理，有效避免閥門部件和介質之間產生碰撞與摩擦，甚至在交變應力的影響下形成一定的疲勞性，失去閥門應有的作用和價值。另外，在高溫閥門設計過程中，還應充分考慮熱交變因素以及彈性閥座結構的選擇，從源頭上避免高溫閥門在設計過程中受到的熱交變影響，最大限度地延長閥門的使用壽命。

2.3 擦傷問題的處理

閥門在實際工作過程中，極易受到各種外界影響因素干擾。同時，若閥門材料的相互作用不合理，還可能伴隨著各種嚴重的擦傷問題。例如，在管路系統運行過程中，時常發生閥芯和閥座相互摩擦等問題，究其根本原因在于其中混入了大量硬粒子，并且在振動沖擊過程中也會產生不利影響，從而造成閥芯和閥座擦傷。因此，為解決閥門部件在運行過程中可能出現的擦傷問題，必須選擇適合的密封副材料，充分考慮材料硬度和強度之間的適應性，盡可能在合理的適應范圍內有效降低部件的擦傷機率。

2.4 有效控制材料機械性能

在高溫條件下，材料的機械性能通常會發現以下兩方面的變化：第一，強度改變。第二，本身形狀改變（蠕變現象）。與此同時，在特定范圍下，若溫度發生明顯變化，相關材料的硬度也會隨之改變。但實際上材料硬度將會直接影響閥門的密封性，更嚴重還會損壞閥門最終的使用壽命。一旦閥門溫度高于450℃，不但需要充分考慮閥門零部件可能發生的彈性形變問題，還需要注重其他可能發生的變化情況。例如，材料蠕變性急劇降低，最終發生嚴重的斷裂現象。若閥門溫度保持不變，在應力加大的前提下，蠕變的速率也會隨之增加;若應力保持不變，溫度降低時的蠕變速率將會隨之減小。因此，在相同材料的作用下，溫度和應力將會對蠕變速率造成不同程度的影響。

2.5必要的散熱及降溫措施

持續高溫的條件下，將對閥門主體材料的機械性能和使用壽命產生極大的影響。必要時可額外設置散熱板增加熱源與外界的接觸面積，作為降溫措施保護閥門。如有必要，在條件允許的情況下，對閥門（包括管道）進行直接的物理干預，增設閥門的降溫夾套，在閥體外周形成另外的低溫循環系統，降低閥門外表面溫度，從而達到保護閥門的目的，延長其使用壽命。

3 高溫閥門設計方法

3.1 殼體壁厚設計

對于高溫閥門的設計，主要分為四個基本步驟：首先，設計閥門殼體。其次，優化中部密封結構。再次，設計密封副結果。最后，將高溫螺栓進行有效連接。對高溫閥門的殼體進行設計時，相關工作人員還應基于長遠角度充分考慮閥門在實際運轉過程中，可能承受的最大壓力值，以及特殊情況下出現的短暫超頻現象，并將閥門最大的壓力值設計為殼體耐壓額定值，參評工程數據預留超頻現象下的安全系數，全面保障殼體設計的科學性和合理性。

3.2 中部密封結構設計

對高溫閥門的中部密封結構進行設計時，通常需要考慮自密封和強制密封兩方面的內容。對于自密封的設計，具體可從閥體、支承環、開環、密封墊、浮動蓋、密封蓋等方面著手進行設計。在壓力增加前，相關工作人員應預緊螺栓，并將浮動蓋上移，保證閥蓋和楔形之間可產生良好的密封力。對密封件施加壓力時，閥蓋通常會向上移動，在此過程中密封力還會隨著壓力的增加而變化，從而達到良好的密封效果。與此同時，對強制密封結構進行設計時，應提前擰緊法蘭螺栓，使得密封墊具有足夠的預緊力，確保墊片預緊具有良好的壓縮性，最后還需考慮高溫工況下膨脹填充密封結構之間的預留縫隙。

3.3 密封副設計

在閥體和密封件連接部位應有效提高密封結構的穩定性，通過處理堆焊硬質合金使其達到相關要求。在此基礎上，科學設計密封環，可有效保證閥門的使用性能，而相關工作人員可以充分利用外圓柱面加工的方式，提前保留環狀溝槽，并將不銹耐酸鋼作為內表面材料，為日后密封槽的使用奠定良好基礎。其中對于浮動閥蓋堆面角度的設計應控制在成28°左右，并使其與密封環存有合理的角度偏差，確保閥蓋密封面與密封環之間保持良好的接觸關系，在一程度上避免密封環發生泄漏。除此之外，密封環在實際工作過程中，還應確保其表面硬度低于閥體同閥蓋產生的接觸面硬度，從而達到密封環強度、塑性變形的基本要求。

結語

在工業化發展進程中，社會各行業領域對高溫閥門的需求與日俱增，在高溫閥門技術的應用方面也提出了更高的要求。因此，相關工作人員應在現有技術的基礎上，積極創新與研發高效的高溫閥門技術，從整體上提高高溫閥門的設計質量，確保高溫閥門在實際工作過程中可發揮出良好的密封效果，在一定程度上降低熱交變、擦傷等問題對高溫閥門質量造成的影響，進一步延長高溫閥門的使用壽命，從而為現代化企業帶來可觀的經濟效益。

參考文獻

[1] 崔麗，黃云浩，田德永. 高溫閥門的設計與材料選擇[J]. ?山東工業技術. 2017（06）

[2] 李東. 高溫閥門設計的有關技術[J]. ?黑龍江科學. 2016（02）

[3] 王強. 高溫閥門設計思路及技術要點的分析[J]. 南方農機. 2015（10）

[4] 陳力. 高溫閥門設計的有關技術研究[J]. ?科技創新與應用. 2014（28）

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