关于高温阀门设计的主要技术分析

                     关于高温阀门设计的主要技术分析

1陈维熊,2聂慧磊3孔令果

浙江中德自控科技股份有限公司  浙江省湖州市 313100

摘要：在高温条件下大部分金属材料的强度、硬度、塑形产生失效从而鲕变，断裂等一些物理和机械性能明显改变。因为这样高温阀门相比较低温阀门在设计结构和材料上有不小的区别。因此本文通过对材料的性能以及热膨胀、热交变等对高温阀门的影响，总结出高温阀门设计的关键技术。

关键词：高温、机械性能、主要技术、设计。

引言：当今社会科学技术和工业技术飞速发展，传输高温能源的管道日益增多，高温阀门也不止局限于工业应用导致需求日益增大。对于管道系统来说，新材料新工艺的出现加宽了高温阀门的使用范途，因为高温条件下使得材料的机械性能和一些物理性能都会产生变化，本文总结了高温阀门的以下几个主要技术。

一，阀门设计的问题分析

1，材料的机械性能分析

在高温条件下，材料的性能会发生很大的变化，主要的变化有两大方面：第一个是材料强度的变化；第二个是如果是金属材料容易出现变形的变化。用碳素钢来说碳素钢一般能奈300度高温，超过三百度以后碳素钢的强度就会下降。

在高温条件下还要考虑材料的硬度，硬度在阀门的密封面是很重要的因素。对于现在常用的密封面材料来说大部分常用的材料在400度以上材料硬度直线下降。

现在的阀门如果是用于温度高于450度的温度下，设计的时候还要考虑材料的蠕变或者断裂的可能性。在高温的条件下，受载的阀门除了可能发生弹性变化还可能出现不可恢复的蠕变。就算是受载的条件达不到材料的极限也很有可能会发生这样的变化。根据温度和应力的关系来看，当温度处于一定情况下,受到应力大的材料蠕变速度相应的会快;当应力处于一定情况下的时候,温度较高的蠕变速度也会快一些。从这方面可以看出来，同一种材料的情况下，蠕变速度是应力和温度的函数。在设计高温阀门的时候，管路系统会给出一定的参数，由此可以知道管路中的温度，以及针对管路的条件选择相对应的材料，所以在设计中最常见的问题是怎样去确定他的许用应力。假如按照不会产生蠕变的应力水平作为设计阀门零件的条件，就会让零件重量大并且不节约经济。所以要让阀门在正常使用年限中，不因为蠕变或者变形发生断裂妨碍其他的运动，就要在掌握的材料的蠕变速度基础上选择一个应力。

在选择应力时必须以阀门的使用寿命为前提进行选择，并且材料会产生一定的蠕变，蠕变的大小不能影响阀门的正常使用，不同材质的阀门使用寿命也不同，所以在设计的时候根据不同材质的阀门以及他们所允许的材料的蠕变速度来给它加上一定的许用应力。比如说在高温管路使用的阀门，在20000h内一共产生的应变值为1%；在核电站使用的阀门更为严格，要求在30000h没产生的总应变值为1%。在高温以及载荷的情况下，阀门零件也容易因为锻炼而失效。我们通常用“长期强度”或者“持久强度”来衡量一种金属的高温抗断裂能力。并且材料的持久强度与温度、加在其上面的力的时间以及应力的大小有关。

2，热胀量的差别影响

让热胀量产生差别的原因有以下几点：不同的材料热胀系数也相应不同、根据条件的不同零件所得到的约束也不同，不同零件不同材料它的对热的承受能力也不同。这一些些的因素加在一块需要在设计高温阀门的时候要去好好考虑以免出现危险情况。当输送的东西是从高温向低温阀门流动，低温那边的阀芯就会被高温突然给包围起来，并且一般的阀芯只有很小一块的阀杆连接，一般只有阀杆这一种散热方式，所以阀芯也会迅速的变为高温，与阀座不同的是，阀座的散热条件比较好所以阀芯会比阀座的膨胀量会大。不只是这些零件这样，其他的一些零件也有类似的状况。所以在高温流体的情况下阀门的各个零件之间的工作间隙应该相应的去增大，只有这样才能在实际工作的情况下防止擦伤和卡死。但是间隙增加多少还是由材料的线膨胀系数，使用温度，应力等一些条件来变化的。因为在实际中增加间隙，会使阀门有效的使用温域会变小，在低温或者较低温度的情况下会出现泄露的状况。

3热交变的影响

材料的介质产生的热交变会使阀座和导向螺纹连接变松，以至于失去密封的作用。所以现在在对阀座或者是导向套连接时会对它相应的支撑件的连接处给它用封焊或者是点焊的方法给封住。但是对于大口径的阀门来说最好是用本体堆焊阀座的方法来解决。

高温条件下产生的热交变使阀门零件接触介质从而受到了交变的应力，加剧了这些接触介质的阀门零件的老化，在设计的时候要对这方面考虑周到。因为弹性阀座使用的寿命相对于其他的阀座使用寿命较长，同时更能够承受交变热的热应力。所以在有热交变的条件下密封结构使用弹性阀座，效果会相对于其他材料的阀座来说会更好一点。

4，材料的塑变和擦伤问题

擦伤：引起擦伤的因素比较多，常见的一般跟温度，与一些材料的表面光洁度、材料的硬度，载荷等有关。还有一些少见的比如管道系统中的一些比较大的硬粒子碰撞会导致阀座以及阀芯表面擦伤粒子的振动和运输中的冲击也是擦伤原因。所以为了防止阀门零件被擦伤，设计的时候多考虑对密封副材料的选择以及选择相应硬度的材料。

塑变：塑变是指金属材料表面被其他的材料擦伤或者是由于两种材料粘在了一起表面形成了球形。产生的因素和擦伤大部分相同并且更会受到流体的影响。高温对金属材料影响较大会使金属软化或者是退火，使其产生塑变加剧擦伤趋势。

塑变和擦伤会导致：阀门被卡住、使密封面遭到破坏、增加了管道与所运输流体之间的摩擦力、导致阀芯的定位不准确。

在流体运输中，如果流体中掺杂有比较坚硬的颗粒的话很容易把阀内的零件给打磨的很粗糙，从而产生塑变和擦伤。

如果运输的是液态金属，比如说是钠、钾等。这些液态金属可以轻易除去金属材料表面的氧化膜，并且在温度≥204℃(400F)的时候，更容易让材料产生比较严重的擦伤，所以在选择材料的时候避免擦伤的发生。

针对以上问题来说防止金属材料表面发生塑变和擦伤的主要方法如下：

（1）零件材料选用适合应用条件下的相对硬度较高的材料。

（2）选择性能较高，低塑变、低擦伤的可以配对使用的材料。

（3）相互连接配合的两种零件，用不同的材料去制作。

（4）在给连接配合的两种零件选择材料的时候，两种材料需要保证有5～10Rc.的硬度差。

（5）保证所选材料表面的粗糙度和硬度合理，或者采用给零件表面增加特殊的覆盖层的方法，给零件必须的硬度差以此来给零件运动面一定的硬度差。

（6）根据给出的参数来依照不同载荷选用不同强度的材料。

二、高温阀门材料的选择

1，阀体材料

让阀体可以在高温的条件下依然具有很好的机械性能，相对应比较好的材料有：碳素钢、不锈钢、耐高温合金钢等等。

2，阀内零件材料

在对阀内零件的材料进行选择时，还需要考虑不同材料不同的热膨胀，还有不同材料制成的运动部件在高温情况下被擦伤情况的问题。根据以上问题，阀内零件的材料可以选择316不锈钢，在表面增加堆焊一些硬质材合金的钨铬钴等材料或者是在表面喷焊陶瓷，来增强它的耐磨损以及耐腐蚀的性能。

3，高温阀门内零件的硬化处理

（1）要增加阀内零件在高温情况下的硬度和强度，来达到防冲刷、防腐蚀的目标。更要防止因为高温而导致材料的退火，软化最终达到阀内零件的防擦伤的作用。还可以在零件的表现进行喷焊或者是堆焊一层硬质合金或者是陶瓷的办法，来增加强度和耐磨的作用使零件在500～800℃的时候依然能更好的正常工作。

（2）在进行堆焊时要根据情况相应的选择堆焊的层数和厚度。根据多次实验得出，在进行堆焊的时候焊3～4层最佳，经过各种工序后堆焊的厚度不小于4mm的时候效果最佳。

（3）如果是用喷焊陶瓷材料的话，可以获得最佳的耐高温耐磨损的性能，但是焊接之后的表面必须用金刚石的砂轮进行打磨，比较耗费时间。

四、总结

1，选材：高温阀门设计的时候要确定合适的材料以及合适的许用压力这两点。

2，高温阀门设计的时候重要的是高温两个字，温度是设计中的主要难点。因为不同温度情况下的阀门，构造也相应的不同，在使用中要确保阀门的使用寿命和功能不被破坏。在设计高温阀门的时候一般有五个原则：（1）在温度大于280℃的时候需要比较大的阀杆以及较大的阀盖颈的长度，让进行填料时能在温度较低的情况下进行；（2）

在温度大于350℃时可以增加零件之间的间隙，对阀芯以及阀座这种密封面加一层硬质表面；（3）在温度大于450℃的时候必须将螺纹连接的地方进行封焊，防止因为螺丝的松动从而引发泄露；（4）温度大于500度的时候，此时温度较高将导向套等材料堆焊硬质表面的同时还需要对它的支撑点进行点焊；（5）在温度大于600℃的时候温度已基本到达输送流体温度最高，必须对本体也采用堆焊进行表面密封。

(3)在高温情况下对阀座、阀芯使用弹性结构防止热交变对其产生影响。

参考文献：

[1]阀门技术手册[M].机械工业出版社，1991

[2]阀门设计，沈阳阀门研究所，1972