閥門在苛刻工況下設(shè)計的注意事項

摘 要：本文闡述了控制閥在嚴(yán)苛工況下設(shè)計與制造的部分注意事項，主要針對高溫、高壓差、高流速及氣蝕狀況下的閥門在設(shè)計時，對材料的選擇、結(jié)構(gòu)的設(shè)計和制造的工藝需要設(shè)計人員考慮的幾個問題點。

關(guān)鍵詞：熱膨脹 塑變 振動 氣蝕 閃蒸

控制閥是過程控制工業(yè)里*常用的終端控制元件，控制閥調(diào)節(jié)流動的流體，以補(bǔ)償負(fù)載擾動并使得被控制的過程盡可能地靠近需要的設(shè)定點，基于其在工業(yè)自動化領(lǐng)域里的重要性，使得控制閥的設(shè)計及制造尤為重要，特別是某些嚴(yán)苛的工況，如高溫、高壓差、高流速、氣蝕等，筆者將從材料、結(jié)構(gòu)、制造等方面加以論述。

一、閥門材料的選擇
1、金屬材料
材料是至關(guān)重要的因素，如材料的性能、蠕變、熱膨脹率、抗氧化性、耐磨性、熱擦傷性及熱處理溫度等，這些是首先應(yīng)注意的事項。在高溫（427℃）狀況下，蠕變和斷裂是材料破壞的主要因素之一，特別是碳素鋼，當(dāng)長期暴露???427℃以上時，鋼中的碳化相可能轉(zhuǎn)變?yōu)槭?，而對于奧氏體不銹鋼只有當(dāng)含碳量超過0.4%時，才可以用于528℃以上。因此，在高溫下使用時，應(yīng)分別計算閥體材料的抗拉強(qiáng)度、蠕變、高溫時效等參數(shù)。而對于閥內(nèi)件的設(shè)計，還應(yīng)該附加考慮材料在高溫的硬度、配合部件的熱膨脹系數(shù)、導(dǎo)向部件的熱硬度差、彈性變形、塑性變形等。在設(shè)計中，應(yīng)給予相應(yīng)的**系數(shù)和可靠系數(shù)，以確保避免在多因素下所產(chǎn)生的破壞。并要熟悉高溫下材料的蠕變率，以選取合適的應(yīng)力，使材料總的蠕變在正常使用壽命范圍內(nèi)不擴(kuò)展至斷裂或允許其產(chǎn)生微變形而不影響導(dǎo)向零件的正常使用。
為避免閥內(nèi)件（閥芯、閥座）表面的磨損、沖蝕及氣蝕，高溫情況下要考慮材料的熱硬度，防止金屬硬度變化。在高壓差下，流體的大部分能量集中于閥內(nèi)件進(jìn)行釋放，對閥內(nèi)件有超負(fù)載的可能，而高溫下，大部分材料的機(jī)械性能變差，材料變軟，大大影響了閥內(nèi)件的使用壽命。因此，應(yīng)正確選擇合適的材料，延長閥門的使用壽命。另外，還要考慮高溫時效對材料物理性能的影響，如韌性和晶間腐蝕的變化。當(dāng)使用溫度達(dá)到或超過熱處理溫度時，閥內(nèi)件會產(chǎn)生退火，硬度降低等問題，為防止材料硬度發(fā)生變化，*高溫度極限的選擇必須在一個**的范圍內(nèi)。而相同的介質(zhì)，在高溫狀況下，其分子的活動性相對活躍，某些具有一般腐蝕性的介質(zhì)可能對閥體及閥內(nèi)件金屬材質(zhì)帶來嚴(yán)重的腐蝕破壞，介質(zhì)以高速的離子狀態(tài)滲入金屬內(nèi)部，使材料的特性發(fā)生改變，如熱膨脹性、晶間腐蝕等，因此，對材料的選擇，除了性價比之外，還應(yīng)考慮多因素下所產(chǎn)生的失效性。
高壓差、高流速情況下，即使溫度是常溫，也應(yīng)評估材料的特性，使材料可以滿足該工況。一般來說，常溫下，當(dāng)壓差超過15bar時，應(yīng)將閥芯、閥座的材料由316SS調(diào)整為司太萊合金堆焊或更高要求的合金，對于弱腐蝕性的介質(zhì)，可選用420QT（淬火+回火）、440QT等。
高壓差、高流速會帶來嚴(yán)重的沖蝕或氣蝕，這對閥內(nèi)件材料的傷害非常大，因此，對閥體及閥內(nèi)件的材料要求非常高，對于閥籠應(yīng)考慮使用不銹鋼表面滲氮（HRC70）處理，使之具有較強(qiáng)的耐沖蝕性，提高閥門流量的精度和使用壽命。
高溫下材料的抗氧化能力，也是一個非常重要的參數(shù)。在溫度循環(huán)變化中，所選用的材料應(yīng)避免發(fā)生材料表面重復(fù)氧化，產(chǎn)生氧化皮等問題。一般情況下，奧氏體不銹鋼系、硬質(zhì)合金系及特種合金系的材料有較好的高溫穩(wěn)定性，可根據(jù)不同的高溫工況選用合適的材料。
2、非金屬材料
一般的非金屬材料無法承受高溫（300℃以上），但柔性石墨可以承受700℃以上的高溫，因此高溫工況下，無論是靜密封還是動密封，一般可以選取柔性石墨或復(fù)合材料，但應(yīng)注意摩擦系數(shù)會增大。

二、閥門零部件的結(jié)構(gòu)和導(dǎo)熱系數(shù)的選擇
高溫高壓差閥門設(shè)計中，必須仔細(xì)考慮不同零部件的熱膨脹對閥內(nèi)件動作的影響。當(dāng)高溫介質(zhì)流過閥門時，由于閥體的線膨脹系數(shù)往往小于閥座的線膨脹系數(shù)，所以閥體限制了閥座的徑向膨脹，閥座只能向內(nèi)徑膨脹，使得在高溫下，閥芯與閥座的工作間隙小于常溫下標(biāo)準(zhǔn)閥門設(shè)計的間隙，造成閥內(nèi)件卡死。閥芯與導(dǎo)向套也會產(chǎn)生同樣的現(xiàn)象。 因此，閥門在高溫下使用時，常溫下標(biāo)準(zhǔn)閥門的設(shè)計間隙（包括閥芯、閥座間；導(dǎo)向套、閥桿間）應(yīng)當(dāng)適當(dāng)增加，這樣使其在高溫下工作也不會發(fā)生卡死現(xiàn)象。因此間隙的設(shè)計顯得非常重要，因材料，尺寸及溫度差等參數(shù)的確認(rèn)對設(shè)計人員非常重要，目前，可從《ASME鍋爐及壓力容器規(guī)范 Ⅱ材料 D篇 性能》中得到相應(yīng)的數(shù)據(jù)。
對泄漏量要求較高的場合下閥體和閥座盡量采用相同的合金鋼制造，并采用單座或籠式結(jié)構(gòu)，盡量避免采用雙座閥結(jié)構(gòu)，還要在密封面進(jìn)行硬化處理，以免高溫下閥門泄露量大幅度增加。另外還應(yīng)考慮閥體、閥蓋及連接件承受由于高溫帶來的附加載荷造成的破壞。
溫度的循環(huán)變化會使閥座和導(dǎo)向套松動，因此必須采用密封焊和搭接焊來防松或壓緊結(jié)構(gòu)。閥座墊片的密封是在密封力大于墊片的屈服極限才能夠獲得，而在高溫、高壓及熱循環(huán)工況下，密封材料發(fā)生蠕變而產(chǎn)生滲漏，可采用整體閥座，由閥體上直接制成閥座并使之硬化。對于大口徑閥門，可在閥體上焊接閥座，去除墊片來避免不必要的泄漏。根據(jù)介質(zhì)的溫度高低，還要考慮填料函中填料可承受的溫度及執(zhí)行機(jī)構(gòu)可承受的溫度。
填料函結(jié)構(gòu)和使用溫度之間的關(guān)系：
250℃以上，上閥蓋延伸，用較長的閥蓋散熱片，以保持填料不受高溫的影響。
450℃以上，上閥蓋加長，用較長的閥蓋散熱片，以保持填料不受高溫的影響。

三、高溫高壓差周期性變化工況下密封結(jié)構(gòu)
用于高溫周期性變化的閥座密封面結(jié)構(gòu)可采用自對中契狀結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)用于零件膨脹造成密封線不圓及閥座的磨損，有自動對中和補(bǔ)償作用。在高溫高壓差且溫度循環(huán)變化的情況下可有良好的密封效果，其密封是依靠柔性閥座密封部位的彈性變形實現(xiàn)的。
高溫情況下計算材料的密封比壓，應(yīng)考慮到其密封材料的強(qiáng)度極限、屈服極限在高溫情況下都有所下降，來選用合理的數(shù)值。

四、高溫情況下，材料硬度的變化
在高溫情況下，各種材料的硬度都有不同程度的下降，硬度下降增加了材料塑變和擦傷的可能。圖1是表面硬化材料鎢鉻硬質(zhì)合金、鉻硼合金及部分不銹鋼熱硬度比較。
從圖1中可以看出，416、440系列不銹鋼在溫度大于700°F（371℃）時，其硬度下降很快。而6號鉻硼系合金及司6號鎢鉻硬質(zhì)合金在溫度大于1000°F（539℃）時，其硬度才有所下降。

五、材料的塑變
塑變是指一種金屬表面被其它材料擦傷，粘結(jié)在一起或表面滾成球形。它和溫度、材料、表面光潔度、硬度、載荷有關(guān)，會受流體的影響，高溫會使金屬軟化，增加其塑變趨勢。塑變會引起：
卡住閥門；
損壞密封面；
增加摩擦力，引起閥芯定位不準(zhǔn)。
管線流體中如夾有較大較硬的顆粒，會使閥內(nèi)件磨得粗糙不平，產(chǎn)生塑變。沖擊振動也會造成零件承受沖擊表面、配合表面的破壞，有時也會引起塑變。

表3 下列金屬配對具有低塑變趨勢

●用于推薦的溫度極限及合適的負(fù)載和硬度。
●在滑動接觸時，300系列不銹鋼自身配對使用時，極易產(chǎn)生塑變和擦傷，但閥芯、閥座間的密封除外。

六、氣蝕和閃蒸
在液體工況下，計算一個*大允許壓力降 ΔPmax, 那么閥門上的壓差（P1-P2）大于ΔPmax,那么就會產(chǎn)生閃蒸或氣蝕，也會引起對于閥門或相鄰管道的結(jié)構(gòu)上的損壞，并增加了閥門的振動，而產(chǎn)生無法忍受的噪音。因此，應(yīng)特別注意該閥門的設(shè)計。一般應(yīng)通過如下方法予以考慮：
●盡可能在閥后增加多層籠，以使得閥后的壓力逐級降壓；
●改變閥體及閥內(nèi)件的材料；
●增加閥門的流通面積，減小流速。

結(jié)束語
高溫高壓差情況下，閥門的設(shè)計比較困難，主要因為大多數(shù)閥門生產(chǎn)廠沒有高溫檢測設(shè)備，高壓差閥門的產(chǎn)生也需要大量的時間和實驗費用，無法驗證閥門的設(shè)計。因此，閥門設(shè)計人員應(yīng)充分了解閥門原理，以設(shè)計出合理的結(jié)構(gòu)，選擇正確的材料，本文提供的觀點和數(shù)據(jù)可供設(shè)計時參考。