试谈高温阀门设计的有关技术

试谈高温阀门设计的有关技术

孙强1  ,高丽2

浙江三方控制阀股份有限公司   311400

摘要：阀门是工业管道中的重要元件，其功能是实现流体输送介质的通断。随着石油、化工、电力、冶金、煤炭等行业的飞速发展，各种高温、高压和有毒有害介质在生产中的应用越来越多，这就要求阀门具有高温启闭或关闭的功能。高温阀门在现代工业中占有重要地位，它广泛应用于石油、化工、电力、冶金等行业的自动化控制系统。然而，阀门在运行中经常会遇到高温介质对阀门的侵蚀，使得阀门工作条件十分恶劣。为此，本文讲述了对高温阀门的有关技术。

关键词：高温阀门；设计；技术

阀门材料是决定其使用寿命的重要因素。在高温下，一些合金材料容易出现蠕变或退化现象，特别是金属基复合材料，它们的屈服强度通常比室温下低得多。为了改善阀门使用寿命，除了在材料选择上要注意之外，在设计时也要注意一些问题。通常，采用铸造或锻造工艺制造的阀门具有良好的高温性能；而采用焊接工艺制造的阀门则具有较高的机械性能和高温耐腐蚀性。然而，实际情况并不是所有高温材料都具有良好的高温性能，如在铜合金中就有铜镍合金和铜锌合金以及铜基复合材料等。

1、防止加工缺陷

高温材料在加工过程中会形成各种表面缺陷，如表面裂纹、气孔、夹杂物以及氧化物夹杂等，这些缺陷的存在会使阀门在运行过程中产生应力，从而影响阀门的使用寿命。因此，在选择高温材料时，必须对其表面缺陷进行认真考虑。（1）由于合金元素的加入而产生的表面裂纹。为了防止这种情况的发生，在设计时应充分考虑到材料的成分和热处理工艺。如铜镍合金中的镍含量较高时，会产生加工裂纹。如果材料中含有较多的铁或钒、钴等元素，就会产生加工裂纹。（2）表面夹杂物。这种缺陷一般出现在材料表面，它主要是由于材料与加工机床之间的接触不良而引起的。如铸造加工时由于铸造工艺不良而导致铸件中存在大量气孔和夹渣等问题，从而使得铸件表面产生裂纹。（3）氧化物夹杂。这种缺陷通常出现在复合材料中。通常情况下，如果复合材料中含有大量铁或铬等金属元素时，就会在其表面产生氧化层。（4）加工硬化现象。加工硬化现象是指当加工机床、刀具或材料等因素改变时，在加工表面出现比原加工表面更高的残余应力和更低的硬度值，从而使得材料抵抗变形的能力下降。（5）显微组织变化。金属基复合材料中的基体材料在加工过程中会产生显微组织变化，如晶粒粗大、纤维状或树枝状等缺陷，而这些缺陷会使得复合材料在高温下变脆、易碎、易剥落等问题。（6）工艺缺陷。由于加工工艺不合理或表面质量不良而导致材料存在一定程度上的工艺缺陷。例如当铸造机冷却液温度过高时，就会在铸件表面形成大量缩孔缩松；当锻压设备进行锻造时，锻造后产生的大变形则会使得锻件中存在很多细微裂纹；当磨削设备工作温度过高时，则会导致磨削表面出现裂纹等问题等。

2、防止腐蚀介质作用

高温阀门的使用环境对其材料提出了特殊要求，如温度、压力、介质等。对于高温阀门而言，由于受工作环境的影响，阀门在使用中往往会出现腐蚀现象，其腐蚀介质种类繁多。例如，高温下的氨气、二氧化硫等气体可与金属发生化学反应；强氧化性气氛、氢气金属发生氧化反应；氧化性气氛、氯气等气体可与金属发生电化学反应；硫酸和硫酸的酸雨，硝酸和硝酸的酸雨等都可对阀门造成腐蚀。另外，一些腐蚀性介质还可以使阀门材料发生软化和脆化。高温下，由于受到各种腐蚀性介质的侵蚀，材料发生软化或脆化后，会严重影响阀门的工作寿命。因此，在高温阀门设计时必须考虑防止腐蚀介质对其材料作用的问题。要防止高温阀门受到腐蚀介质作用，一是要尽量选择耐腐蚀性好的材料；二是要采取一些有效措施防止腐蚀介质对材料的侵蚀；三是对阀体和阀盖等密封元件以及法兰和垫片等连接部件在设计时必须考虑到其耐蚀性，并且应采用耐腐蚀材质。目前在高温阀门设计时所考虑的防腐蚀问题有两种：一种是将阀门设计成结构简单的整体式结构，在每一种主要密封面处采用耐蚀材料制造；另一种是采取一些有效措施防止阀体和阀盖等密封元件与腐蚀介质接触。这两种方法都可以起到防止腐蚀介质作用。

3、防止材料表面形成氧化膜

在高温下，金属材料表面会形成一层氧化膜，这层氧化膜能阻止金属与酸、碱的接触，从而避免了腐蚀的发生。然而，这种膜并不是绝对不允许存在的，如果温度继续升高，金属材料表面的氧化膜就会遭到破坏，从而导致材料表面出现裂纹、点蚀等缺陷。如果在制造阀门时将金属材料表面的氧化膜除去，就能减少这种缺陷的出现。高温阀门所使用的材料大多是镍基合金，因为镍具有很高的耐腐蚀性和耐热性。但由于镍有一定的耐蚀性，在使用环境温度较高时就会出现点蚀现象。为了减少镍基合金材料表面形成氧化膜的缺陷出现，可在其表面涂上一层陶瓷或氧化锆粉末涂层。这种涂层可以使镍合金材料表面形成致密、坚硬的氧化膜，从而防止裂纹和点蚀的发生。如在高温阀门设计中应注意以下几个方面：（1）由于金属材料与酸、碱或其他腐蚀性介质接触后，其表面就会形成一层薄薄的氧化膜。在这种情况下，如果金属材料表面没有进行处理或涂上陶瓷涂层的话，那么当温度继续升高时，氧化膜就会受到破坏而形成裂纹和点蚀等缺陷。因此，在高温阀门设计中应注意在阀体与阀盖之间采用焊接方式连接时的密封性问题；同时还应注意对阀体和阀盖进行热处理以提高它们的耐蚀性能。（2）在高温阀门设计中还应注意由于金属材料与酸、碱等腐蚀性介质接触后而产生的腐蚀问题。例如在金属材料表面涂上一层耐腐蚀涂料或合金涂层等方法来防止金属材料表面形成氧化膜；还可采用对金属材料表面进行喷镀或热喷涂来解决这个问题。（3）在高温阀门设计中还应注意防止金属材料与其它化学介质发生化学反应而生成新的氧化膜。例如在金属材料表面涂上一层耐腐蚀性强的陶瓷或其他氧化物涂层后就可以防止这种现象发生。另外，采用热浸锌工艺制造阀门也是一种有效防止金属材料表面形成氧化膜的方法。

4、提高金属材料的强度

通过改变金属材料的组织结构，可以提高材料的强度。例如，通过对材料进行热处理，可以提高材料的强度；通过改变金属的结构形式，可以改善其力学性能。提高金属材料强度的方法有很多，主要有以下几种：（1）合金化：通过加入适量的合金元素和稀土元素等，使金属材料得到强化。（2）表面强化：在金属表面形成致密、牢固的氧化膜，以阻止腐蚀介质进入金属内部。（3）添加非金属元素：加入非金属元素如碳、铬、钼等，使金属材料具有抗腐蚀性能。（4）机械加工：对金属进行加工处理，如压铸成型、锻造成型、轧制等，以增加其强度和塑性。（5）热处理：利用热处理工艺来改善金属材料的力学性能，提高其使用温度。（6）压力加工：通过压力加工工艺来改善金属材料的力学性能。（7）热处理后再加工：在金属材料表面形成强化层，以提高其机械性能。通过以上措施可使某些高温合金的强度得到较大幅度的提高，如钼-铜-镍合金和钼-镍-铝合金的屈服强度分别比原金属提高了1000倍。然而，在高温下这些合金存在着蠕变或退化现象。

结束语：

综上所述，目前，中国高温阀的应用领域正在逐步扩大，人们对它的需求也在不断提高，虽然目前已经取得了一定的成就，但仍存在着许多尚未解决的问题。所以，我们要对高温阀门的设计技术展开更深入的分析与研究，从对高温阀门技术的研究、对材料的甄别、对内件的处理等方面，探索出高温阀门技术中应考虑的一些问题，并积极推动技术的进步，扩大高温阀门的应用范围，从而提高高温阀门的使用寿命。

参考文献：

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