高溫閥門的設(shè)計(jì)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(jí)、常用高溫閥門型式、設(shè)計(jì)要點(diǎn)及材料選擇做一介紹。

關(guān)鍵詞：高溫閥門；設(shè)計(jì)；材料

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

近幾十年，隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，工程項(xiàng)目中對(duì)高溫閥門的需求越來(lái)越多。高溫閥門在石化、化工、電力等行業(yè)均有應(yīng)用。由于高溫的長(zhǎng)時(shí)間作用會(huì)對(duì)金屬材料造成物理性能以及機(jī)械性能等方面的影響，在對(duì)高溫閥門進(jìn)行設(shè)計(jì)和選材時(shí)，需重點(diǎn)關(guān)注高溫對(duì)相關(guān)因素的影響。

1 高溫閥門定義及分級(jí)

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(duì)高溫閥門高溫等級(jí)的劃分，目前尚無(wú)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。文獻(xiàn)[1] 根據(jù)幾十年生產(chǎn)高溫閥門的經(jīng)驗(yàn)將高溫等級(jí)劃分為五級(jí)。即閥門工作溫度t> 425～ 550℃ 為PI 級(jí)， 工作溫度t>550～ 650℃ 為PII 級(jí)，工作溫度t > 650 ～730℃ 為PIII 級(jí)，工作溫度t > 730～ 816℃ 為PIV級(jí)，工作溫度t > 816℃ 為PV 級(jí)。其中，PI～PIV級(jí)閥門主要靠選擇合適的材料以保證其性能，PV級(jí)閥門除材料選擇外更重要的是采用特殊的設(shè)計(jì)手段，如襯隔熱襯里或采取冷卻措施。如文獻(xiàn)[2]中所述超超高溫氣動(dòng)角式截止閥設(shè)置了5 套冷卻結(jié)構(gòu)，確保了閥門在工作介質(zhì)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(jié)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(shè)計(jì)要點(diǎn)

高溫閥門設(shè)計(jì)時(shí)，要特別注意熱膨脹量、熱交變及材料機(jī)械性能的影響。由于材料熱膨脹系數(shù)、零件所承受熱載等的差別，即使幾乎同時(shí)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(dāng)增大閥門零件間的工作間隙，此間隙的增加量應(yīng)依據(jù)材料的熱膨脹系數(shù)、應(yīng)力以及實(shí)際使用溫度來(lái)確定[3]。高溫?zé)峤蛔儠?huì)導(dǎo)致閥座和導(dǎo)向套之間的連接變松、加劇閥門零件的疲勞老化等，在設(shè)計(jì)中要根據(jù)具體情況采取相應(yīng)的措施，如密封結(jié)構(gòu)優(yōu)先采用彈性閥座。高溫將顯著影響材料的機(jī)械性能，不同溫度下材料的強(qiáng)度、硬度、塑性、彈性模量和波桑比等亦將不同，在設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮這些因素對(duì)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(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)當(dāng)注意使用溫度不得超過(guò)材料的最大允許使用溫度。根據(jù)ASME B31.3高溫閥門常用材料的最高使用溫度見(jiàn)表1。需特別說(shuō)明的是，在實(shí)際閥門設(shè)計(jì)中還要考慮介質(zhì)腐蝕性和應(yīng)力水平等因素，閥門材料的允許溫度實(shí)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(shí)，在特定條件下易產(chǎn)生氫脆。根據(jù)金屬中氫的來(lái)源不同，常分為內(nèi)部氫脆、電化學(xué)氫脆和環(huán)境氫脆。我們平常所說(shuō)的氫脆，一般指環(huán)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(guān)。

臨氫工況的材料選擇，應(yīng)根據(jù)管道最高操作溫度加20℃～40℃的裕量和介質(zhì)中氫氣的分壓依據(jù)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(huì)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(xiàng)目中常存在硫化氫腐蝕工況，此時(shí)若選擇普通閥門將無(wú)法滿足安全生產(chǎn)要求。由文獻(xiàn)[4]可知，溫度t≤ 120℃ 且有水存在時(shí)，易引起鋼產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開裂；溫度t≤240℃且無(wú)水時(shí)，無(wú)腐蝕；溫度t≥240℃時(shí)腐蝕加劇，能引起鋼的快速均勻腐蝕，且當(dāng)氫氣和硫化氫共存時(shí)，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J(rèn)B /T 11484-2013《高壓加氫裝置用閥門技術(shù)規(guī)范》執(zhí)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(jù)介質(zhì)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(zhì)，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(jié)語(yǔ)

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

參考文獻(xiàn)：

[1]樂(lè)精華.高溫閥門的高溫等級(jí)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(dòng)角式截止閥[J].閥門，2014，（02）：26-27.

[3]陳力.高溫閥門設(shè)計(jì)的有關(guān)技術(shù)研究[J].科技創(chuàng)新，2014（28）：19.

[4]樂(lè)精華，李曉剛.行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《高壓加氫裝置用閥門技術(shù)規(guī)范》（ JB/T11484-2013）的分析[J].閥門，2014（06）：39-41.

[5]余雯鈺，樂(lè)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(jiǎn)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(shè)計(jì)工作。