高溫閥門的設計與材料選擇

崔麗++黃云浩　田德永

摘 要：本文就高溫閥門定義及分級、常用高溫閥門型式、設計要點及材料選擇做一介紹。

關鍵詞：高溫閥門；設計；材料

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.06.045

近幾十年，隨著現代科學技術的發展，工程項目中對高溫閥門的需求越來越多。高溫閥門在石化、化工、電力等行業均有應用。由于高溫的長時間作用會對金屬材料造成物理性能以及機械性能等方面的影響，在對高溫閥門進行設計和選材時，需重點關注高溫對相關因素的影響。

1 高溫閥門定義及分級

在一般資料中將閥門工作溫度t > 450℃的閥門稱為高溫閥門。而對高溫閥門高溫等級的劃分，目前尚無統一的標準。文獻[1] 根據幾十年生產高溫閥門的經驗將高溫等級劃分為五級。即閥門工作溫度t> 425～ 550℃ 為PI 級， 工作溫度t>550～ 650℃ 為PII 級，工作溫度t > 650 ～730℃ 為PIII 級，工作溫度t > 730～ 816℃ 為PIV級，工作溫度t > 816℃ 為PV 級。其中，PI～PIV級閥門主要靠選擇合適的材料以保證其性能，PV級閥門除材料選擇外更重要的是采用特殊的設計手段，如襯隔熱襯里或采取冷卻措施。如文獻[2]中所述超超高溫氣動角式截止閥設置了5 套冷卻結構，確保了閥門在工作介質溫度為2 000℃工況下正常工作。

2 常用高溫閥門型式

高溫閥門包括高溫閘閥、高溫截止閥、高溫止回閥、高溫球閥、高溫蝶閥、高溫針閥、高溫節流閥、高溫減壓閥等。其中，較常用的為閘閥、截止閥、止回閥、球閥和蝶閥。

3 高溫閥門的設計要點

高溫閥門設計時，要特別注意熱膨脹量、熱交變及材料機械性能的影響。由于材料熱膨脹系數、零件所承受熱載等的差別，即使幾乎同時加熱的閥座和閥芯在高溫下的膨脹量等性能也有所不同；為了有效減少零件之間因溫度造成的卡死或擦傷需適當增大閥門零件間的工作間隙，此間隙的增加量應依據材料的熱膨脹系數、應力以及實際使用溫度來確定[3]。高溫熱交變會導致閥座和導向套之間的連接變松、加劇閥門零件的疲勞老化等，在設計中要根據具體情況采取相應的措施，如密封結構優先采用彈性閥座。高溫將顯著影響材料的機械性能，不同溫度下材料的強度、硬度、塑性、彈性模量和波桑比等亦將不同，在設計時要充分考慮這些因素對閥門性能的影響。

4 高溫閥門材料的選擇

4.1 高溫閥門常用材料及其最高使用溫度

高溫閥門設計過程中應當注意使用溫度不得超過材料的最大允許使用溫度。根據ASME B31.3高溫閥門常用材料的最高使用溫度見表1。需特別說明的是，在實際閥門設計中還要考慮介質腐蝕性和應力水平等因素，閥門材料的允許溫度實際要比表中值低。

4.2 腐蝕工況下高溫閥門常用材料

4.2.1 臨氫工況

碳鋼及合金鋼管道在臨氫工況下使用時，在特定條件下易產生氫脆。根據金屬中氫的來源不同，常分為內部氫脆、電化學氫脆和環境氫脆。我們平常所說的氫脆，一般指環境氫脆也常稱為氫蝕。氫蝕與溫度、壓力和氫在鋼中的溶解度大小有關。

臨氫工況的材料選擇，應根據管道最高操作溫度加20℃～40℃的裕量和介質中氫氣的分壓依據Nelson曲線選擇合適的抗氫鋼材，高溫段常選用Cr-Mo鋼。此外，由于奧氏體不銹鋼在任何溫度條件下或氫分壓下不會脫碳，也可選用奧氏體不銹鋼，但需考慮材料成本因素。

4.2.2 硫化氫腐蝕工況

石油化工項目中常存在硫化氫腐蝕工況，此時若選擇普通閥門將無法滿足安全生產要求。由文獻[4]可知，溫度t≤ 120℃ 且有水存在時，易引起鋼產生應力腐蝕開裂；溫度t≤240℃且無水時，無腐蝕；溫度t≥240℃時腐蝕加劇，能引起鋼的快速均勻腐蝕，且當氫氣和硫化氫共存時，腐蝕速度加快。硫化氫腐蝕工況下閥門材料的選擇及要求可參照JB /T 11484-2013《高壓加氫裝置用閥門技術規范》執行。

4.2.3 其他腐蝕工況

其他腐蝕工況，高溫閥門材料可根據介質和溫度等條件選擇不銹鋼，鎳基合金、鈦合金等。如Inconel合金用于高濃度的氯化物介質，大化肥廠用Inconel 600 或Inconel625 合金制造高壓高濃度氧氣閥門等[5]。

5 結語

為了適應閥門在高溫下使用的要求， 高溫閥門的設計和材料選用有著一些和普通閥門不一樣的特點，需要加以特別注意方可保證其安全正常的使用。

參考文獻：

[1]樂精華.高溫閥門的高溫等級和主體材料[J].閥門，2003（06）：10-11.

[2]楊榮水，黃美林等.超超高溫氣動角式截止閥[J].閥門，2014，（02）：26-27.

[3]陳力.高溫閥門設計的有關技術研究[J].科技創新，2014（28）：19.

[4]樂精華，李曉剛.行業標準《高壓加氫裝置用閥門技術規范》（ JB/T11484-2013）的分析[J].閥門，2014（06）：39-41.

[5]余雯鈺，樂精華.閥門主體零件用鋼及合金的適宜工作溫度[J]. 閥門，2008（01）：28.

作者簡介：崔麗，工程師，主要從事石油化工及化工裝置的管道及管材設計工作。