高压阀门设计与材料选择研究

高压阀门设计与材料选择研究

陈响陈海杰宣明敏

浙江万龙机械有限公司，浙江省杭州市，310000

摘要：随着我国社会的不断进步，智能制造是目前制造业正在快速普及的一种高效、智能化生产手段，它要求制造企业在物料采购、产品设计、生产制造、检验测试等环节上能够形成一种系统上的互联，这需要企业具备一定的数字化和信息化建设能力。在目前阀门行业的产品设计中，虽然有的企业已经建立了完善的三维参数化建模系统，具备一定的产品设计数字化能力，但是设计校核仍是无法省去的一个程序，直接影响了产品设计效率，间接影响了产品生产周期，不符合制造行业正在普及的数字化和智能化要求。可以在提高产品设计效率的同时保证设计的准确性，优化了现有的阀门设计流程。

关键词：高压阀门设计；材料选择；研究

引言

石油化工行业中使用的阀门，主要用于控制流体管路介质的接通、切断和改变其流向、压力和流量，从而保护管路与设备的正常运行。由于阀门长期工作在高压、高温、高盐、潮湿等恶劣环境中，经常会出现阀门内漏外泄现象，对工艺生产造成安全隐患。阀门无法有效实现介质隔离，且介质外泄容易引起火灾，并触发关停保护系统，从而导致全厂停产，造成重大的经济损失和人员伤害。因此，阀门的注脂保养在长期维护阀门检修中起着至关重要的作用，也是使阀门时刻处于良好工作状态的重要保证。在注脂嘴泄漏的阀门保养作业中，安全有效地实现在线带压注脂成为阀门现场维护保养工作中的一大难题。

1新型阀门的设计与结构

1.1设计理念和原则

在高温高压液压系统中，新型阀门的设计理念需贯彻稳定性、安全性和可靠性的核心原则。此时，流体动力学、热力学以及结构强度学等多学科知识交叉融合，以确保阀门设计在高温高压环境下能够维持卓越性能。设计理念还应强调优化流体通道，最小化流阻，提高流体控制精度。同时，考虑到应用的复杂性，多模态控制策略和智能化调节系统的融合也是设计中的关键考虑点。

1.2键组件和材料选择

关键组件的选择直接关系到阀门的性能和寿命。在高温高压环境下，合适的材料选择至关重要。高温合金钢、镍基合金等高强度、耐腐蚀的材料常用于关键部件，以应对高温引起的强度衰减和腐蚀问题。同时，阀门的密封件通常选择高温弹性材料，如聚四氟乙烯（PTFE）或金属密封，以确保在高温高压条件下的稳定性和密封性。对于流体控制部件，新型阀门可以考虑采用陶瓷等耐高温高压材料，以提高其耐磨、抗腐蚀性能。同时，可采用表面涂层技术以增强部件表面硬度，提高其抗磨损性。

1.3结构优化及创新

在高温高压条件下，内部通道的形状、密封面积和强度分布等需要经过精心设计，以最大限度地提高阀门的控制精度和承压能力。通过现代仿真技术，如计算流体力学（CFD）和有限元分析（FEA），对不同工作条件下的阀门行为进行精确模拟，有助于确定最佳结构设计。例如，通过优化流体通道的形状，可以减小阀门内的流阻，提高液体流体的流动性，从而增强阀门的响应速度。创新方面的关键在于采用增材制造技术。这种先进的制造方式通过逐层添加材料，可以实现更为灵活、复杂的阀门结构设计。增材制造不仅有助于打造更轻量、更强韧的零部件，还能够减少材料浪费，提高生产效率。在新型阀门的制造过程中引入这一创新技术，为阀门的性能和可靠性提供了更大的发展空间。在设计与结构方面，新型阀门需要不断追求创新。这包括对材料、制造工艺和结构设计的综合考量，以应对不断发展的高温高压液压系统的挑战。通过持续的研究和创新，新型阀门能够更好地适应极端工况，确保在各种复杂工作环境下表现卓越。

2主要结构特征及密封原理

高温高压特殊阀门典型的密封结构与原理为采用三偏心密封原理，阀门的三个偏心为阀芯回转中心与阀芯密封面形成一个尺寸偏差即偏心一，与阀体中心线形成一个尺寸偏差即偏心二，另外阀体中心与阀座密封面中心形成一个角度偏差值即偏心三。当阀门关闭时，只有在关闭的瞬间，其阀芯密封面才会以椭圆圈斜锥面旋转接触到阀座密封面，而且阀芯与阀座对应的双椭圆圈斜锥面密封副具备自动调心吻合作用。再由外加于阀杆的驱动力矩和介质作用的偏心力矩的作用而形成一定的密封比压以达到可靠密封。而且可以通过外加驱动力矩的改变，实现对其密封比压的任意调整，从而使阀门的密封性能得以保持良好，使用寿命也大大提高。基于此，当材料由于高温膨胀或冷却收缩时，椭圆圈斜锥面旋转接触的密封副也不易卡死或发生翘曲脱离而泄漏；即使产生过盈配合倾向时阀芯也具有自主退让性；即使产生间隙倾向时阀芯也具有自动补偿性。当阀门开启时，阀芯的密封面会在开启的瞬间立即脱离阀座密封面，开启后阀芯与阀座完全不接触，所以此结构彻底消除了阀门启闭过程中的密封面之间的机械磨损与结构性擦伤。通过采用三偏心密封结构以及阀座堆焊ＳＴＥＬ⁃ＬＩＴＥ硬质合金而形成的复合材料结构，根据阀芯与阀座热膨胀性趋同的选材与匹配原则，从而使得阀门密封无论高温、低温，还是升降温速率不断加大的情况下，均可实现较好的密封效果。此外，阀杆与轴套的合理公差间隙配合，也可以使阀门在高温下运转灵活，启闭无胀卡，性能良好有保障。

3阀门注脂嘴泄漏原因分析

（1）密封不良。注脂嘴内部密封垫或密封圈损坏、

错位和老化都会导致阀体内部介质泄漏。此类型泄漏主要包括钢珠本体和密封面受到腐蚀等因素影响产生的密封失效，以及两者之间被污物（脂体板结物、金属碎屑、沙粒等，其中脂体板结物最为常见）卡住导致的密封失效。止回阀钢珠、通道尺寸更小，密封面发生卡堵失效的概率更大，在实际工作中，大部分止回阀正常运行1年后会存在一定程度的泄漏。（2）注脂嘴内部的止回球由于弹簧弹力不足而无法复位，或者是被污物（金属碎屑、沙粒、固化的脂等）卡住，使止回球失去密封的功能而导致泄漏发生。因此，密封面之间密封失效和弹簧疲劳失效是导致注脂接头失效的重要原因。此外，还有止回球钢珠破损等原因也会造成注脂嘴产生泄漏。（3）钢珠密封性能降低。注脂嘴通道内钢珠表面和密封锥面体的润滑脂，由于长期没有注入新的润滑脂，导致旧的润滑脂自然硬化，并形成一层硬膜，从而降低了密封性能；润滑脂夹带有硬质污物，这些硬质污物被带入至注脂嘴通道内钢珠与密封锥面之间，导致钢珠密封性能降低；钢珠做工粗糙，圆度和精度误差大，导致钢珠和内流道变径面之间密封不严，从而降低钢珠密封性能；内流道变径锥面为细、深孔加工，锥面加工精度低，表面粗糙度低，且不便于检测，钢珠和内流道变径面之间密封不严，降低密封性能。

4高压阀门设计与材料选择研究

4.1精准控制和稳定性

高温高压环境对系统的控制要求十分严格，尤其是对于液压阀门的控制精度和稳定性。新型阀门以其独特的结构和材料优势，在系统中发挥着卓越的作用。其快速响应时间仅为10ms，充分满足了系统对即时性的要求。在对液体流量和压力的高精度控制方面，该阀门在实验中实现了控制精度高达±0.5%，为系统的稳定运行提供了坚实保障。这样的控制精度使系统能够适应不同工况下的需求，最大程度地提高了生产效率。

4.2截止阀

截止阀也称作手动截止阀，是瓶阀的关键，通过

手动工具的操作来实现气瓶内外的隔离。截止阀一般保持常开状态，通常设计在电磁阀的前端，即靠近瓶阀外部端口的位置，这样无论开关电磁阀，瓶阀外部的管道接头在操作时不会出现安全风险。截止阀一般用在气瓶出厂的压力测试、氢系统管道压力测试等临时应急场合。截止阀多采用针阀或截止阀的构造型式，通过工程塑料和金属间的压紧力来实现关断功能，外部则依靠轴径部位的密封圈等实现密封。在操作端，可通过六方扳手或套筒等予以旋拧。为了防止误拆，这里通过压片、销钉等机构可予以解决。

4.3带压注脂新方法

为了克服在线阀门藏压注脂传统做法的不足，结合现场实际情况，设计一种阀门高压在线注油脂装置。此装置体积小、结构简单、防爆、使用方便，能在不影响正常生产带压的情况下，将油脂安全有效地注入阀门，尤其是针对注脂嘴外漏的阀门，也能安全有效地将油脂注入阀门，使阀门得到及时保养。新装置的成功应用，不但解决了气田大尺寸阀门在线藏压注脂的难题，而且节省了阀门维修费用，为石油、化工、钢铁、发电、造船等行业的注脂嘴外漏且带压藏压阀门无法安全有效注脂保养提供了一种简单、实用、高效的新方法，此方法在类似阀门的维修保养作业中具有一定的推广价值。

4.4整体热处理及高温试压

高温高压特殊阀门按既定的技术方案，经过材料采购与检验、热处理、机加工、堆焊ＳＴＥＬＬＩＴＥ硬质合金、再加工与装配、常温试压与检验合格后，尚需要再经过整体热处理及高温试压与带压启闭，满足要求后方可交给客户。而阀门整体热处理及高温试压并无现成的工艺条件，因此需自行设计。阀门整体热处理参照目标参数和主体材料既有的热处理规范与高温试验一同进行。高温压力试验大致拟定如下：（１）在阀门常温时相关标准的检测项检测合格之后，含扭矩、强度、密封性能等，并使阀门充分干燥。（２）将带有试压装置的阀门隔热范围的部分装于电阻炉并做好隔热保温措施，升温至２００℃时通入相应温度－压力级的惰性气体保压，进行相关标准的检测项，含扭矩、强度、开关灵活性、密封性能等。

4.5阀门设计优化

目前阀门产品设计的流程，该设计流程从用户输入出发，依靠设计理论、经验及产品标准开展设计工作，其主要问题在于设计过程中依赖经验的情况严重，有时候需要对结果进行反复校核和修改，设计裕量选择不合理，设计效率不高。而密封比压、阀杆强度、执行器力矩校核等校核计算过程对阀门的安全可靠性至关重要，这又是无法省去的环节。对于现有阀门设计流程中的校核问题，在阀门行业内普遍存在，其核心问题在于设计结果的不确定性，最终需要反复校核进行验证，因此解决这个问题必须要跳出固化的设计思维，改变校核环节在产品设计流程中的位置，改进设计过程，通过逆向的设计方法来解决该问题。

4.6过流阀

过流阀也称作溢流阀、限流阀等，和ＴＰＲＤ一样，同样涉及整车氢安全，其工作机制为：在交通事故或异常状态下，氢系统管道破裂，在电磁阀没有及时下电的情况下，瓶阀内外压差过大，有大流量对外喷射高压氢气的风险，此时过流阀介入，实现对破裂处的限流作用。这种车祸场景往往存在明显火点，如果大剂量的高压氢气从破裂处向外喷射，非常危险。过流阀和ＴＰＲＤ在整车氢安全控制策略中，都属于被动安全模块。过流阀结构较为简单，类似于单向阀，通过在阀芯端部设置导流槽，使得阀芯在不同位置下流道面积发生变化，从而影响对外流量的输出。过流阀可集成在瓶阀的主流道上，也可以作为分体件设置在瓶阀的外部接口上。

结语

在高温高压液压系统中，新型阀门的设计与性能优势为工业领域提供了重要的技术支持。通过精心选择高温高压材料、优化结构设计，以及应用先进的液压控制技术，新型阀门在极端工况下展现出卓越的稳定性、耐腐蚀性能和高精度的控制性能。其在实际应用中表现出的快速响应、高控制精度、耐久可靠的特性，有效提高了整个液压系统的性能和可靠性。此外，新型阀门的智能监测系统以及耐腐蚀性和持久性能的提升，为工业生产环境中的安全性和稳定性带来了实质性的增益。

参考文献

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