高溫閥門設計技術研究與分析

【摘?要】化工管道的閥門是控制化工原料流向和流量的關鍵性設備，而且還能起到良好的密封作用，管道閥門會受到高溫、強酸性、強氧化性等外界環境因素的影響，這些因素會嚴重降低閥門的機械強度和材料硬度，使閥門出現銹蝕、塑性變形、斷裂等問題。本文以高溫對閥門的影響作為研究對象，首先分析高溫對閥門的機械性能、材料的熱膨脹以及機械摩擦等方面的影響，根據分析研究的結果給出閥門體以及內件的材料選擇方案，具有一定的理論參考價值。

【關鍵詞】管道閥門;高溫影響;機械性能;閥門體

1引言

隨著化工產品生產質量要求的不斷提高，在化工管道中運輸高溫液體的情形會越來越多，這種現狀對化工生產設備的工作性能提出了更嚴格的要求[1]。化工生產過程具有一定危險性，所以化工原料在管道輸送過程中要嚴格保證管道的密封性，金屬材料在受到高溫高壓作用時其物理性質會產生一定改變，在通常情況下在高溫環境下閥門的機械強度和硬度等性能都會有所降低，如果閥門長期性工作在高溫環境下會發生蠕變和斷裂，這嚴重威脅化工生產過程的安全性，所以研究和設計專用于高溫環境的閥門是具有較大實際意義的[2]。

2高溫對閥門工作性能的影響

2.1閥門的機械性能

在高溫環境的影響下，金屬制成的閥門主要會出現兩個方面的變化，第一個是閥門的機械強度，第二個方面是金屬材料的理化性質，主要包括材料塑性變形量、彈性模量、硬度等等。

當金屬閥門的工作溫度在450℃以上時就需要考慮材料的蠕變效應，所謂蠕變效應是指金屬材料在一定溫度和壓力的作用下出現緩慢微小且連續的塑性變形，如果閥門持續性處于蠕變狀態下會使閥門可以承受的壓力變小，在管道高壓作用下產生斷裂，造成嚴重的經濟損失和人身傷害。所以在設計閥門是要盡可能避免金屬出現蠕變。

在應力平衡值的選擇方面可以依據以下標準，對于常規的高溫閥門在正常工作20Kh閥門的總應變量不大于1%;對于核電站閥門在正常工作30Kh閥門的總應變量不大于1%。在某些情況下，即使閥門沒有出現蠕變也發生零件斷裂的問題，這是由于金屬在高溫環境下抵抗斷裂的能力有兩個指標：長期強度和持久強度，在材料沒有發生蠕變時高溫可能增加了金屬脆性，改變了金屬的持久強度，當閥門承受較大沖擊時就可能發生斷裂。

2.2熱膨脹

熱脹冷縮是金屬材料普遍存在的性質，熱膨脹是閥門與相連接的管道之間產生的物理變化，熱膨脹只是一種主要的熱物理變化還有其他形態的變化，它們發生的原理都相似但是具體的表現情況有所不同。熱膨脹是由于高溫流體首先是流向金屬管道的，金屬管道具有良好的導熱性，所以金屬管道已經預先膨脹，但是管道和閥門采用的材料具有差異性，高溫的流體流向閥門相當于冷態金屬突然受熱，而且閥門體具有良好的密封性和一定的厚度，導致熱量無法很好地傳導到外界，從閥門總體上來看其熱膨脹量要多于管道，這樣就可能會導致管道與閥門之間的連接處出現空隙，這對于高溫流體的傳輸具有泄漏的危險性。

2.3機械摩擦

在高溫閥門中的機械摩擦是較為特殊的機械磨損形式，其發生原因是多方面的，除了常規的閥座與閥芯的配對問題、管路中的微粒摩擦閥門等等，高溫流體的溫度波動也可能引起閥門內部出現過度磨損的問題，由前文所分析的機械性能相關內容可知，當溫度超過一定范圍時，某些材料的硬度會急速下降，在通常情況下閥座和閥芯采用的材料是不同的，所以在高溫環境下的硬度表現會有所不同，我們在設計閥門時最先需要考慮的是閥座和閥芯之間的配合問題，其次需要選擇硬度差異值較小的兩種材料作為閥門的制造材料，這樣就可以最大限度減少閥門過度磨損的情況出現。

3高溫閥門設計流程

3.1閥體和閥內件材料的選擇

閥體是承受高溫流體的主要部件，所以需要選擇在高溫環境下機械性能表現良好的材料，在高溫高壓環境下合金鋼和不銹鋼的硬度保持性能要優于碳素鋼，所以選擇閥體時可以考慮采用合金鋼或者不銹鋼，具體可以選擇鉻鎳鈦合金、鉻化硼系列合金以及耐鹽酸鎳基合金等等。閥內件的選擇需要綜合考慮熱膨脹效應以及高溫環境過度磨損等問題。所以在選擇閥內件材料的同時，考慮采用堆焊硬質合金或者陶瓷噴焊等表面硬化處理方式，來優化閥內件的耐磨損能力。

3.2閥內件表面的硬化處理

采用硬質合金或者陶瓷噴焊等表面硬化處理方式來加強零件表面的耐磨損能力是非常實用并且可行性較高的方式，陶瓷的主要材料是二氧化硅具有優良的化學穩定性，與化工生產常用的強酸強堿都不發生反應。而且可以減小在高溫下閥內件的熱膨脹量，在管道溫度達到800℃時依舊保持閥門良好的密封性。雖然這種表面處理方式有許多優點，但是也存在諸多缺陷，例如當采用堆焊硬質合金的方式首先需要確定合理的堆焊層數和厚度，通常堆焊層數為3-4層，每一層的厚度要小于4mm，這對于操作人員的焊接技術提出非常高的要求，而且在表面處理后，各個部件的配合會出現差異。而采用噴焊陶瓷的方式會因為零件各個部位對陶瓷粉末的附著能力不同，導致零件表面陶瓷層分布不均勻，在噴焊陶瓷工序完成后要采用高硬度的磨砂輪對零件進行磨削。

4 結論

在高溫閥門的設計中，溫度是最優先考慮的問題，除了閥門的材料和表面處理需要嚴格要求之外，還可以對閥門的結構進行優化設計，例如在過高溫度下閥座和閥芯的密封面都采用硬質表面，加長閥蓋頸長間接降低閥門溫度，盡可能采用具有彈性結構的閥芯和閥座以此減小熱交變效應對閥門的影響，如果閥門與管道采用螺紋連接，連接處的密封環采用封焊用以減小發生泄漏的可能性。

參考文獻：

[1]莊偉彬，金秋來，甘泉，侯守坤.應用于石化領域高溫工況的閥門選型分析[J].中國石油和化工標準與質量，2020，40（20）：106-108.

[2]劉愛武.高溫平板閘閥失效的因素與改進措施[J].化工管理，2020（25）：138-139.

作者簡介：

施佳鋒（1986-02-14），男，漢族，江蘇啟東人，大學本科學歷，工程師，從事工作：機械設計。

（作者單位：江蘇神通閥門股份有限公司）