有關(guān)高溫閥門設(shè)計(jì)的主要技術(shù)探究

有關(guān)高溫閥門設(shè)計(jì)的主要技術(shù)探究摘要：隨著工作溫度的升高，由金屬材料制作而成的高溫閥門塑性、硬度、強(qiáng)度均會(huì)發(fā)生顯著異變，對(duì)閥門設(shè)計(jì)提出了更高的要求。因此，文章闡述了與高溫閥門相關(guān)的一些概念，討論了高溫閥門的材料選擇要點(diǎn)，并從分析相關(guān)熱膨脹變量、分析熱交變量、內(nèi)部耐磨涂層設(shè)計(jì)等方面，對(duì)高溫閥門設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了進(jìn)一步探究，希望為高溫閥門設(shè)計(jì)提供一些參考。關(guān)鍵詞：高溫閥門；閥座設(shè)計(jì)；熱交變量前言：二十一世紀(jì)，現(xiàn)代科技高速發(fā)展，在多個(gè)行業(yè)均獲得了顯著的突破，特別是在工業(yè)壓縮機(jī)方面。而閥門是工業(yè)壓縮機(jī)流體控制體系中無法缺失的裝置，關(guān)乎流體控制效率。隨著工業(yè)壓縮機(jī)生產(chǎn)工藝的成熟完善，對(duì)高溫閥門也提出了更高的要求。但是，由于熱膨脹變量、熱交變量等干擾因子的存在，高溫閥門應(yīng)用推廣瓶頸仍然存在。因此，結(jié)合耐高溫材料的發(fā)展情況，對(duì)高溫閥門的設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行適當(dāng)探究具有非常重要的意義。1.關(guān)于高溫閥門的相關(guān)概述在流體輸送系統(tǒng)中，閥門是重要的控制部件，承擔(dān)著穩(wěn)定壓力、截止流體、疏導(dǎo)流體、調(diào)節(jié)流體、溢流泄壓、分流泄壓等多種功能。顧名思義，高溫閥門（如圖1）是可以忍耐、承受較高溫度的閥門裝置。從專業(yè)視角上進(jìn)行分析，閥門工作溫度大于450°的閥門稱之為高溫閥門，當(dāng)前并沒有統(tǒng)一的閥門分類標(biāo)準(zhǔn)。部分學(xué)者憑借專業(yè)研究結(jié)果，以溫度為依據(jù)，將高溫閥門進(jìn)行了等級(jí)的簡單劃分⑴即將工作溫度大于425°C但小于550°C的閥門定為PI級(jí)；將工作溫度大于550°C但小于650C的閥門定為PII級(jí)；將工作溫度大于650C但小于730C的閥門定為PIII級(jí)；將工作溫度大于730C但小于816C的閥門定為PIV級(jí)；將工作溫度超過816C的閥門定為PV級(jí)，其不僅需要選擇恰當(dāng)?shù)牟牧?，而且需要采取襯隔熱襯里、設(shè)計(jì)冷卻結(jié)構(gòu)等特殊的手段，保證性能。

圖1高溫閥門高溫閥門具有優(yōu)良的淬火性（實(shí)現(xiàn)深度淬火）、加工性能、沖擊吸收性能（錘子無法進(jìn)行暴力破壞），包括高溫止回閥、高溫進(jìn)氣閥、高溫壓力閥等幾種類型。二、高溫閥門的材料選擇材料選擇是高溫閥門設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，根據(jù)材料性質(zhì)的差異，所適用的設(shè)計(jì)方案也具有較大差別。因此，設(shè)計(jì)人員應(yīng)以“溫度小于材料最大允許使用溫度”為基準(zhǔn)，瀏覽或下載ASME壓力管道標(biāo)準(zhǔn)B31.3《工藝管道》（美國國家標(biāo)準(zhǔn)）-2018，刪選標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于高溫閥門應(yīng)用頻率較高材料的最高水平使用溫度（局部見表1），進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì)⑵表1高溫閥門應(yīng)用頻率較高材料的最高水平使用溫度（局部）名稱材料牌材料名義成分最高溫度附注格鉬鋼鍛件A182F2221/4Cr-1Mo649°C超過454C時(shí)，焊接金屬含碳量應(yīng)超過

0.05%。不銹鋼鍛件A182F31616Cr-12Ni-2Mo816C超過538C時(shí)，焊接金屬含氮量應(yīng)不小于0.04%。銘鉬鋼鑄件A217WC611/4Cr-1/2Mo649C材料允許溫度實(shí)際低于表中數(shù)值如表1所示，在了解不同高溫閥門常用材料最高使用溫度后，設(shè)計(jì)人員需要額外考慮應(yīng)力水平、介質(zhì)腐蝕性，進(jìn)行材料的恰當(dāng)選擇。在腐蝕性因子持續(xù)破壞、損耗材料性質(zhì)的工作情況下，設(shè)計(jì)人員應(yīng)根據(jù)相關(guān)工作情況的內(nèi)部，進(jìn)行材料的針對(duì)性篩選。根據(jù)腐蝕性因子類別的差異，可以將上述工作狀況劃分為硫化氫場景、臨氫場景、氯化物場景等幾種類型。在硫化氫場景，一旦工作環(huán)境溫度在240.00°C數(shù)值水平以上（存在水分），就會(huì)導(dǎo)致閥門材料快速、均勻腐蝕開裂。因此，針對(duì)工作環(huán)境溫度在240.00C數(shù)值水平以上（存在水分）的情況，設(shè)計(jì)人員應(yīng)以《高壓加氫裝置用閥門技術(shù)規(guī)范》JB/T11484-2013為基準(zhǔn)，對(duì)閥門殼體材料、內(nèi)材類別以及抗性、耐性標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行細(xì)化明確。同時(shí)具備抗硫、抗氫的材料主要有碳素鋼、銘一鉬鋼等。前者需要選用低含硫（小于0.02%）、低含碳（小于0.23%）、低含磷（小于0.02%）的質(zhì)量較為優(yōu)異的碳素鋼，以ASTMA105、ASTMA216WCC分別為鍛材、鑄材；而后者需要選用銘一鉬鋼，其具有低含碳（小于0.16%）、低含硫（小于0.02%）、低含磷（小于0.02%）的特定，分別以ASTMA182F22Classi、ASTMA217WC9為鍛材、鑄材⑶。在臨氫場景，若工作溫度大于281°C但小于500°C，設(shè)計(jì)人員可以將ASTMA351CF8C作為閥門殼體材料，將ASTMA638GR660作為內(nèi)件材料（含閥軸、閥座、閥瓣、上密封座、密封面）。在氯化物腐蝕工況下，設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)介質(zhì)、溫度，選擇鎳基合金、不銹鋼作為殼體材料、內(nèi)材。若氯化物介質(zhì)濃度較高，則可以選擇Inconel合金作為內(nèi)材。三、高溫閥門設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)（一）分析相關(guān)熱膨脹變量因材料熱膨脹系數(shù)、組成構(gòu)件所承受熱載不相關(guān)因子的存在，幾乎全部同時(shí)從低水平溫度上升到高水平溫度的閥座、閥芯的膨脹量會(huì)出現(xiàn)一定幅度波動(dòng)。為了避免因高溫閥門座、閥芯之間因高溫膨脹變量而造成的擦傷、卡死情況，設(shè)計(jì)人員需要通過分析相關(guān)熱膨脹變量，進(jìn)行閥門零件之間工作間隙的適當(dāng)調(diào)整。同時(shí)在熱態(tài)流體逐步向冷態(tài)閥門流動(dòng)過程中，高溫閥門閥芯會(huì)迅速被熱態(tài)流體包裹，而閥芯的熱量流失僅可依賴與之相連接的小橫截面閥桿，導(dǎo)致高溫閥門閥芯可以在短時(shí)間內(nèi)上升到與管線流體相一致的溫度。同理，高溫閥門閥座較之閥芯在熱量散失條件方面表現(xiàn)更佳，具體表現(xiàn)為其在徑直方向的膨脹波動(dòng)水平優(yōu)于閥門整體的線性膨脹波動(dòng)水平⑷?；诖耍O(shè)計(jì)人員應(yīng)綜合考慮使用溫度、材料線性膨脹系數(shù)、應(yīng)力等因素，進(jìn)行高溫環(huán)境下的閥門工作間隙的增大處理。一般來說，高溫閥門材料的熱膨脹變量與其尺寸變化呈現(xiàn)出漸近線性關(guān)系，隨著閥門材料尺寸的增加，其熱膨脹系數(shù)也無限趨近于一般定義的數(shù)值，基于此，為避免部件不同部位收縮程度存在差異，設(shè)計(jì)人員首先可以熱膨脹系數(shù)為指標(biāo)，分別在常溫下、高溫下（450C、649C、816C）對(duì)不同材質(zhì)、形狀的閥門的熱膨脹變量進(jìn)行評(píng)估。比如，GSC-25P265GH碳鋼材料的閥門具有較為明顯的非線性特征，其在尺寸為15.00mm時(shí)，膨脹系數(shù)為5.87；在尺寸為150.00mm時(shí)熱膨脹系數(shù)為14.52。根據(jù)評(píng)估結(jié)果，設(shè)計(jì)人員可以進(jìn)行閥座、密封圈形狀的調(diào)整，以便最大程度控制閥座、門芯之間的高溫膨脹。比如，將閥門的閥座、密封圈均設(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)圓形，保證閥座、密封圈閥體壁厚數(shù)值完全相等。同時(shí)結(jié)合O型密封圈的彈性形變情況，獲得四偏心或者五偏心的閥門機(jī)構(gòu)。需要注意的是，對(duì)于以柱塞閥為代表的部分高溫閥門而言，閥門有效溫域會(huì)隨著閥門工作間隙的增加而下降，進(jìn)而在室內(nèi)溫度或者溫度下降時(shí)出現(xiàn)泄漏。因此，設(shè)計(jì)人員應(yīng)注意根據(jù)高溫閥門使用功能，進(jìn)行高溫環(huán)境下閥門工作間隙增加量的控制。在這個(gè)基礎(chǔ)上，針對(duì)個(gè)別閥門閥座在淬火高溫下出現(xiàn)的熱膨脹變量，設(shè)計(jì)人員可以專門設(shè)計(jì)一個(gè)閥座形狀校正工裝冶煉工具。在相關(guān)工序結(jié)束之后，對(duì)閥門閥座尺寸進(jìn)行檢測，依托1600.00kN壓力機(jī)，實(shí)現(xiàn)熱校形，防控實(shí)踐階段熱處理環(huán)節(jié)尾聲到來前出現(xiàn)膨脹余量丘。1.分析熱交變量在工作溫度超出一定標(biāo)準(zhǔn)的臨界點(diǎn)，熱交變量會(huì)誘使閥座、導(dǎo)向套之間的連接不再牢靠，甚至?xí)?qū)動(dòng)高溫閥門零件的疲勞老化過程呈現(xiàn)高速發(fā)展態(tài)勢。因此，在設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)人員應(yīng)利用熱交變量分析技術(shù)，高溫環(huán)境下熱交變量對(duì)閥座、導(dǎo)向套以及閥門零件的不良作用，以便及時(shí)采取相應(yīng)措施。比如，對(duì)于密封結(jié)構(gòu)，可以優(yōu)先配置彈性閥座降低熱交變量等。以高溫環(huán)境下熱交變量對(duì)閥座的不良作用分析為例，閥座是壓縮機(jī)隔膜泵上固件易損件，在運(yùn)行階段極易受到高溫環(huán)境的沖擊，進(jìn)而影響整個(gè)機(jī)器的運(yùn)行效率、年限。一般設(shè)計(jì)要求閥座的運(yùn)行時(shí)間應(yīng)超過1200.00h，但是在實(shí)際閥座運(yùn)行過程中，超過四成的閥座無法滿足這一標(biāo)準(zhǔn)?；诖?，需要對(duì)高溫環(huán)境下閥座受熱交變量的影響進(jìn)行分析。假定閥座為6272/6205mmx100mm的20CrMnTi合金滲碳鋼，滲碳層超過2.30mm，淬火后硬度在55.00HRC但小于60.00HRC。為驗(yàn)證普通閥座和彈性閥座在熱交變量方面的差異，可以對(duì)溫度升高時(shí)整個(gè)閥座密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察⑹。觀察結(jié)果表明，彈性閥座結(jié)構(gòu)在溫度升高時(shí)可以保證自身與導(dǎo)向套連接的牢固性，且運(yùn)行時(shí)間沒有縮短，而一般閥座結(jié)構(gòu)在溫度升高時(shí)與導(dǎo)向套連接出現(xiàn)了明顯的松動(dòng)，且運(yùn)行時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)短于彈性閥座結(jié)構(gòu)。因此，設(shè)計(jì)人員可以進(jìn)行彈性閥座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。即利用壓縮彈簧的助推力，促使密封圈、球體始終處于緊密接觸狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)預(yù)緊密封效果。常見的彈性閥座結(jié)構(gòu)包括閥前密封、閥后密封、雙面密封多種形式，在密封特點(diǎn)、應(yīng)用場景、應(yīng)用參數(shù)方面均存在一定差異。以固定止回閥彈簧組彈性閥座閥前密封為例，在閥體接觸面中徑超過球體接觸面中徑時(shí)，可以選擇閥前密封結(jié)構(gòu)，促使閥座的流體受壓面超出球體密封圈反向受壓面積，同時(shí)利用彈簧預(yù)緊密封力、流體的作用，促使密封圈與球體無縫隙貼合。1.內(nèi)部耐磨涂層設(shè)計(jì)高溫閥門運(yùn)行工況具有高溫、高壓的特點(diǎn)，在閥門介質(zhì)為液固或者氣固混合物料時(shí)，若固體顆粒硬度處于一個(gè)較高的數(shù)值，閥門本體與閥體密封面極易出現(xiàn)磨損。尤其是氣固混合介質(zhì)引發(fā)的球體、閥座之間的干摩擦，極易造就密封面磨損超過限度、拉傷、實(shí)效，整個(gè)閥門壽命在一個(gè)月以內(nèi)，增加了閥門使用成本。而內(nèi)部耐磨涂層設(shè)計(jì)，可以恢復(fù)失去實(shí)效性的零件使用壽命應(yīng)具備的功能衛(wèi)。在內(nèi)部耐磨涂層設(shè)計(jì)過程中，可以選擇的涂層類型為WC-Co金屬陶瓷涂層、ALO-2313.00%+WC-12.00%Co金屬陶瓷涂層。以某企業(yè)為例，該企業(yè)煤制1.4一丁二醇用隔膜泵，進(jìn)口操作壓力、出口操作壓力分別為0.18MPa、8.0MPa。該隔膜泵壓縮機(jī)在與泵相連的彈簧作用下，可以打開隔膜泵頂蓋，促使帶有催化劑鎳粉的溶液進(jìn)入下一模塊。進(jìn)而隔膜泵端蓋高度下滑，配合泵下部作業(yè)，阻斷催化劑溶液流動(dòng)，循環(huán)作業(yè)。在該泵檢修階段，因進(jìn)口單向閥安裝難度增加，且接觸介質(zhì)為水固混合物，導(dǎo)致上下泵閥門基體長期承受接觸磨損、撞擊，出現(xiàn)了溶液泄露問題?；诖?，為了避免泵單向閥失效而增加生產(chǎn)成本，設(shè)計(jì)人員可以選定660mmx15mm的40Cr13馬氏體不銹鋼作為基體材料。進(jìn)而對(duì)基體材料的化學(xué)成分進(jìn)行測試，通過分析碳、硅、錳、硫、磷、銘的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，判定閥芯是否經(jīng)低溫回火、高溫淬火處理。在確定閥芯經(jīng)過上述操作之后，依據(jù)納米ALO-13.00%+WC-12.00%Co的配方，粉末粒度設(shè)定為2350.00~500.00mm，涂層厚度為50.00um。納米ALO-13.00%+WC-12.00%Co粉末由23粒子相互搭接形成了致密的涂層組織，配合電弧噴涂階段因弧區(qū)高溫材料氧化而生成的少量三氧化四鐵，可以減少粗大孔隙生成，杜絕裂紋出現(xiàn)。一般納米ALO-13.00%+WC-12.00%C。涂層、高溫閥門內(nèi)部結(jié)合強(qiáng)度可以提升到59.00MPa以上，且在數(shù)百次冷熱循環(huán)中無裂紋、剝離現(xiàn)象出現(xiàn)，提高高溫球閥內(nèi)材抗熱震性能。同時(shí)氧化鋁、氧化鈦、陶瓷、氧化鉆等硬質(zhì)金屬化合物在金屬球閥表面的沉積，可以促使涂層表面硬度遠(yuǎn)超出基體。一般金屬陶瓷涂層的顯微硬度可以達(dá)到1463(維氏硬度)，遠(yuǎn)高于高溫閥門基體的顯微硬度(524)。結(jié)語：綜上所述，在多年的發(fā)展過程中，閥門已由簡單的截止閥發(fā)展到復(fù)雜的高溫自控閥，涉及規(guī)格、種類繁多，可以滿足水、空氣、蒸汽及各種腐蝕、放射介流體流動(dòng)控制要求，高溫閥門應(yīng)用范圍也不斷拓展。根據(jù)高溫閥門在壓縮機(jī)中的應(yīng)用情況，設(shè)計(jì)人員應(yīng)選擇恰當(dāng)?shù)母邷亻y門材料。并憑借專業(yè)經(jīng)驗(yàn)，利用相關(guān)熱膨脹變量分析、熱交變量分析以及內(nèi)部耐磨涂層設(shè)計(jì)技術(shù)，滿足高溫閥門的設(shè)計(jì)應(yīng)用需求。參考文獻(xiàn)：1.林振浩，錢錦遠(yuǎn)，李文慶,金志江.高溫閥門的研究進(jìn)展[J].機(jī)電工程,2020,(07):729-735.2.崔麗，黃云浩，田德永.高溫閥門的設(shè)計(jì)與材料選擇[J].山東工業(yè)技術(shù),2017,(06):52-53.3.荀中正，劉晟.高溫?zé)煔馊ㄩy在硫酸裝置中的應(yīng)用[J].