分析高溫閥門設(shè)計的有關(guān)技術(shù)

周平平

摘 ?要：閥門是流體控制活動中必不可少的基礎(chǔ)裝置，在整個流體控制過程中起到了至關(guān)重要的作用。在新時代科技水平不斷提升的背景下，各行業(yè)領(lǐng)域均取得了創(chuàng)新性地突破和發(fā)展，對高溫閥門的需求也逐漸趨于多元化?；诖?，從高溫閥門材料的選擇和結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面著手，通過分析高溫閥門設(shè)計的有關(guān)技術(shù)，研究高溫閥門設(shè)計方法，旨在為行業(yè)相關(guān)工作人員提供理論方面的參考依據(jù)，全面保障高溫閥門設(shè)計的質(zhì)量以及為推進(jìn)特殊領(lǐng)域高溫閥國產(chǎn)化的進(jìn)程提供橫向參考。

關(guān)鍵詞：高溫;閥門設(shè)計;有關(guān)技術(shù)

引言

隨著我國現(xiàn)代發(fā)展進(jìn)程的不斷加快，我國各個領(lǐng)域都迎來了新的發(fā)展機(jī)遇和挑戰(zhàn)，尤其對于新能源開發(fā)及化學(xué)工業(yè)，等靜壓處理，粉末冶金等行業(yè)而言，其對高溫閥門（介質(zhì)溫度450℃以上）的需求量呈現(xiàn)出顯著增長趨勢，對高溫閥門的設(shè)計也提出了更嚴(yán)格的要求。在此背景下，相關(guān)行業(yè)工作人員對高溫閥門的設(shè)計予以高度重視，其設(shè)計重心也逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)闈M足行業(yè)發(fā)展需求、保證閥門運行安全等方面，并充分利用先進(jìn)的信息技術(shù)手段不斷研發(fā)高溫閥門技術(shù)，為高溫閥門設(shè)計領(lǐng)域的發(fā)展提供了有力的技術(shù)支持。

1 高溫閥門材料的選擇

對于高溫閥門材料的選擇，具體可從以下三方面著手：

1.1選擇閥體材料

通常情況，高溫工況下介質(zhì)特性和管線壓力對材料的抗腐蝕性和應(yīng)力水平會有更加苛刻的并行需求，從而對材料的選擇造成多層次的限定約束性。而閥門的使用均在高溫工況下，因此在挑選閥體材料時，應(yīng)盡可能根據(jù)介質(zhì)成分擇優(yōu)選取理化性能優(yōu)良、力學(xué)性能穩(wěn)定的耐熱合金鋼、高鉻鎳碳奧氏體耐熱鋼、以及耐熱鋼加耐火材料相結(jié)合的方式等作為閥門基礎(chǔ)材料。合適的材料可以保證閥門處于高溫環(huán)境下的運行穩(wěn)定性和延長使用壽命等特點，為高溫管線的正常運行提供良好的前提保障。

1.2選擇閥內(nèi)件材料

對于閥內(nèi)件材料而言，在選取過程中必須充分考慮閥門的運行頻率，介質(zhì)粘度以及溫度范圍變化和最高設(shè)計溫度時的膨脹率，確保閥內(nèi)部件在高溫工況下相互之間的和諧共處，各自能夠穩(wěn)定可靠的提供相應(yīng)的功能作用，避免咬合、擠壓和被迫摩擦，從而科學(xué)挑選具有針對性的閥內(nèi)件材料。通常來講，閥內(nèi)件材料在選擇時要考慮各項性能優(yōu)于閥體材料，以保證閥的穩(wěn)定性和可靠性。目前市面上常用的閥內(nèi)件材料諸多，可供選擇范圍較廣，科學(xué)有效的結(jié)合使用環(huán)境選擇相應(yīng)材料，可以顯著提高閥內(nèi)件的使用壽命。

1.3選擇密封部位材料

高溫密封材料優(yōu)先考慮其熱膨脹率與周邊所使用的材料接近，這樣可避免其產(chǎn)生額外應(yīng)力，防止密封材料的松弛和非正常流失。密封面選擇具有合適硬度差的材料，避免相互擦傷情況出現(xiàn)，將易更換件設(shè)置在低硬度側(cè)，便于點檢保養(yǎng)及降低維護(hù)成本。密封材料在高溫下的抗氧化，抗疲勞和熱循環(huán)性能也要需要充分考慮，其作為核心部件，直接關(guān)乎整臺設(shè)備的運行性能，所以更加需要慎重選擇。

在開展高溫閥門設(shè)計工作時，應(yīng)結(jié)合實際情況科學(xué)挑選適合的材料，確保材料在實際使用過程中可完全勝任高溫工況，并能有效延長閥門的使用壽命，使其保養(yǎng)周期長于管線其他功能設(shè)備，從而降低工程企業(yè)的周期成本。閥門在實際工作過程中，高溫因素會造成直接的影響，因此相關(guān)工作人員在設(shè)計高溫閥門時，除了考慮閥門本身的使用溫度，還必須充分考慮閥門外圍的環(huán)境溫度變化對閥體材料的影響，以及閥門所處管線的裝配位置對閥體剛性的影響。

2 高溫閥門設(shè)計的有關(guān)技術(shù)

2.1 熱膨脹量

造成熱膨脹量存在明顯差異的主要原因普遍與閥門零部件承受的熱載、材料熱膨脹系數(shù)有關(guān)，即使相同材料的不同部件，相同條件加熱時，熱膨脹量也有所不同。然而為了達(dá)到理想的密封效果，閥芯內(nèi)部零件多數(shù)采用不同材料，使得熱膨脹量各不相同，甚至差異較大。因此在設(shè)計高溫閥門時，必須充分考慮以上因素造成的影響。消除熱膨脹量所帶來的影響，通常采用加大閥內(nèi)零件配合間隙來實現(xiàn)，此時需注意避免盲目加大空隙范圍，而是科學(xué)的根據(jù)材料的熱膨脹特性來確定合理的公差間隙，有針對性的調(diào)整，從而滿足熱膨脹所需的空間范圍，避免卡死及過度摩擦現(xiàn)象。并且在實踐過程中，應(yīng)該使得高溫流體能平緩流經(jīng)溫度相對較低的閥門，避免閥芯溫度在短時間內(nèi)急劇變化而快速膨脹，使其逐漸與管線流體溫度相適應(yīng)，達(dá)到逐漸變化的過程。

2.2 熱交變

閥門零部件在交互作用下，極易受到介質(zhì)熱變性帶來的各種影響。例如，若介質(zhì)熱變性發(fā)生改變，導(dǎo)向套和閥座之間的節(jié)點很可能發(fā)生松動現(xiàn)象，在一定程度上弱化了原有的密封效果?；诖?，在高溫閥門設(shè)計過程中，應(yīng)積極將支撐件和閥座之間的節(jié)點部位進(jìn)行焊接，科學(xué)選擇縫焊或點焊的方式保證閥門的密封性。與此同時，對于大口徑閥門的閥座，還應(yīng)盡可能選擇堆焊的方式進(jìn)行表面硬化處理，有效避免閥門部件和介質(zhì)之間產(chǎn)生碰撞與摩擦，甚至在交變應(yīng)力的影響下形成一定的疲勞性，失去閥門應(yīng)有的作用和價值。另外，在高溫閥門設(shè)計過程中，還應(yīng)充分考慮熱交變因素以及彈性閥座結(jié)構(gòu)的選擇，從源頭上避免高溫閥門在設(shè)計過程中受到的熱交變影響，最大限度地延長閥門的使用壽命。

2.3 擦傷問題的處理

閥門在實際工作過程中，極易受到各種外界影響因素干擾。同時，若閥門材料的相互作用不合理，還可能伴隨著各種嚴(yán)重的擦傷問題。例如，在管路系統(tǒng)運行過程中，時常發(fā)生閥芯和閥座相互摩擦等問題，究其根本原因在于其中混入了大量硬粒子，并且在振動沖擊過程中也會產(chǎn)生不利影響，從而造成閥芯和閥座擦傷。因此，為解決閥門部件在運行過程中可能出現(xiàn)的擦傷問題，必須選擇適合的密封副材料，充分考慮材料硬度和強(qiáng)度之間的適應(yīng)性，盡可能在合理的適應(yīng)范圍內(nèi)有效降低部件的擦傷機(jī)率。

2.4 有效控制材料機(jī)械性能

在高溫條件下，材料的機(jī)械性能通常會發(fā)現(xiàn)以下兩方面的變化：第一，強(qiáng)度改變。第二，本身形狀改變（蠕變現(xiàn)象）。與此同時，在特定范圍下，若溫度發(fā)生明顯變化，相關(guān)材料的硬度也會隨之改變。但實際上材料硬度將會直接影響閥門的密封性，更嚴(yán)重還會損壞閥門最終的使用壽命。一旦閥門溫度高于450℃，不但需要充分考慮閥門零部件可能發(fā)生的彈性形變問題，還需要注重其他可能發(fā)生的變化情況。例如，材料蠕變性急劇降低，最終發(fā)生嚴(yán)重的斷裂現(xiàn)象。若閥門溫度保持不變，在應(yīng)力加大的前提下，蠕變的速率也會隨之增加;若應(yīng)力保持不變，溫度降低時的蠕變速率將會隨之減小。因此，在相同材料的作用下，溫度和應(yīng)力將會對蠕變速率造成不同程度的影響。

2.5必要的散熱及降溫措施

持續(xù)高溫的條件下，將對閥門主體材料的機(jī)械性能和使用壽命產(chǎn)生極大的影響。必要時可額外設(shè)置散熱板增加熱源與外界的接觸面積，作為降溫措施保護(hù)閥門。如有必要，在條件允許的情況下，對閥門（包括管道）進(jìn)行直接的物理干預(yù)，增設(shè)閥門的降溫夾套，在閥體外周形成另外的低溫循環(huán)系統(tǒng)，降低閥門外表面溫度，從而達(dá)到保護(hù)閥門的目的，延長其使用壽命。

3 高溫閥門設(shè)計方法

3.1 殼體壁厚設(shè)計

對于高溫閥門的設(shè)計，主要分為四個基本步驟：首先，設(shè)計閥門殼體。其次，優(yōu)化中部密封結(jié)構(gòu)。再次，設(shè)計密封副結(jié)果。最后，將高溫螺栓進(jìn)行有效連接。對高溫閥門的殼體進(jìn)行設(shè)計時，相關(guān)工作人員還應(yīng)基于長遠(yuǎn)角度充分考慮閥門在實際運轉(zhuǎn)過程中，可能承受的最大壓力值，以及特殊情況下出現(xiàn)的短暫超頻現(xiàn)象，并將閥門最大的壓力值設(shè)計為殼體耐壓額定值，參評工程數(shù)據(jù)預(yù)留超頻現(xiàn)象下的安全系數(shù)，全面保障殼體設(shè)計的科學(xué)性和合理性。

3.2 中部密封結(jié)構(gòu)設(shè)計

對高溫閥門的中部密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計時，通常需要考慮自密封和強(qiáng)制密封兩方面的內(nèi)容。對于自密封的設(shè)計，具體可從閥體、支承環(huán)、開環(huán)、密封墊、浮動蓋、密封蓋等方面著手進(jìn)行設(shè)計。在壓力增加前，相關(guān)工作人員應(yīng)預(yù)緊螺栓，并將浮動蓋上移，保證閥蓋和楔形之間可產(chǎn)生良好的密封力。對密封件施加壓力時，閥蓋通常會向上移動，在此過程中密封力還會隨著壓力的增加而變化，從而達(dá)到良好的密封效果。與此同時，對強(qiáng)制密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計時，應(yīng)提前擰緊法蘭螺栓，使得密封墊具有足夠的預(yù)緊力，確保墊片預(yù)緊具有良好的壓縮性，最后還需考慮高溫工況下膨脹填充密封結(jié)構(gòu)之間的預(yù)留縫隙。

3.3 密封副設(shè)計

在閥體和密封件連接部位應(yīng)有效提高密封結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，通過處理堆焊硬質(zhì)合金使其達(dá)到相關(guān)要求。在此基礎(chǔ)上，科學(xué)設(shè)計密封環(huán)，可有效保證閥門的使用性能，而相關(guān)工作人員可以充分利用外圓柱面加工的方式，提前保留環(huán)狀溝槽，并將不銹耐酸鋼作為內(nèi)表面材料，為日后密封槽的使用奠定良好基礎(chǔ)。其中對于浮動閥蓋堆面角度的設(shè)計應(yīng)控制在成28°左右，并使其與密封環(huán)存有合理的角度偏差，確保閥蓋密封面與密封環(huán)之間保持良好的接觸關(guān)系，在一程度上避免密封環(huán)發(fā)生泄漏。除此之外，密封環(huán)在實際工作過程中，還應(yīng)確保其表面硬度低于閥體同閥蓋產(chǎn)生的接觸面硬度，從而達(dá)到密封環(huán)強(qiáng)度、塑性變形的基本要求。

結(jié)語

在工業(yè)化發(fā)展進(jìn)程中，社會各行業(yè)領(lǐng)域?qū)Ω邷亻y門的需求與日俱增，在高溫閥門技術(shù)的應(yīng)用方面也提出了更高的要求。因此，相關(guān)工作人員應(yīng)在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上，積極創(chuàng)新與研發(fā)高效的高溫閥門技術(shù)，從整體上提高高溫閥門的設(shè)計質(zhì)量，確保高溫閥門在實際工作過程中可發(fā)揮出良好的密封效果，在一定程度上降低熱交變、擦傷等問題對高溫閥門質(zhì)量造成的影響，進(jìn)一步延長高溫閥門的使用壽命，從而為現(xiàn)代化企業(yè)帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)

[1] 崔麗，黃云浩，田德永. 高溫閥門的設(shè)計與材料選擇[J]. ?山東工業(yè)技術(shù). 2017（06）

[2] 李東. 高溫閥門設(shè)計的有關(guān)技術(shù)[J]. ?黑龍江科學(xué). 2016（02）

[3] 王強(qiáng). 高溫閥門設(shè)計思路及技術(shù)要點的分析[J]. 南方農(nóng)機(jī). 2015（10）

[4] 陳力. 高溫閥門設(shè)計的有關(guān)技術(shù)研究[J]. ?科技創(chuàng)新與應(yīng)用. 2014（28）

2427501705304