閥門在嚴苛工況下設(shè)計的注意事項

bluesky99899

控制閥是過程控制工業(yè)里最常用的終端控制元件,，控制閥調(diào)節(jié)流動的流體,，以補償負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
6 F8 f! ?% n. b/ a) a- f  T1、金屬材料
7 Q$ ^8 j; p' w2 R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°C）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)長期暴露在427°C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°C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)的安全系數(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,。
) p- b" ]/ ?4 J. t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)件進行釋放，對閥內(nèi)件有超負載的可能,，而高溫下,，大部分材料的機械性能變差，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，最高溫度極限的選擇必須在一個安全的范圍內(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,，使之具有較強的耐沖蝕性,，提高閥門流量的精度和使用壽命。
* A( w& A' U6 Q. H& L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。
$ ]) m0 F" Y) D4 ]5 T' J4 n7 v# ^; a2,、非金屬材料
  [3 `$ J) L, `/ q' G8 ?& i9 c一般的非金屬材料無法承受高溫（300°C以上）,，但柔性石墨可以承受700°C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。
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二,、閥門零部件的結(jié)構(gòu)和導(dǎo)熱系數(shù)的選擇
. ~$ ?# U* E/ @, j高溫高壓差閥門設(shè)計中,，必須仔細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)。
- U, I2 L" Z' f4 `" |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,。
) p' O; t: \' Z3 U' l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：
  a0 P, d1 C1 z250℃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。

. f2 [0 b8 D( {8 }/ J; @! F2 @三,、高溫高壓差周期性變化工況下密封結(jié)構(gòu)
' N2 \; a: A+ p) }# n4 O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
% f/ E! B: Z8 ]) q4 T/ i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,。

6 H7 q( m$ @: {7 b6 p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：
7 d4 p: |7 `% x+ `卡住閥門,；
) L/ ~, q! j! L3 `0 h) F6 S6 Y3 p損壞密封面,；
: V; E0 _8 \% S4 l& D! o增加摩擦力，引起閥芯定位不準(zhǔn),。
& i9 f8 y0 H8 X1 d7 E' f6 i% ~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
$ N/ X7 p1 ~6 _1 N閥芯        導(dǎo)向襯套        性能
316不銹鋼        17-4PH不銹鋼        好
, C8 I6 y) J, y9 ~! G3 N        400系列不銹鋼        好
        司太萊（Stellite）硬質(zhì)合金        好
        鉻硼系合金        好
6 {# ?5 t1 ?1 N7 ^        因科鎳(Inconel)合金        好
' S' X5 o$ g% `. U4 P304L不銹鋼        因科鎳(Inconel)合金        好
+ p' X# E+ g2 Y3 T/ m2 A' O* X' h440不銹鋼        440不銹鋼        好
2 B: G( O! @! E" R! a0 w        17-4PH不銹鋼        好
蒙乃爾(Monel)合金        K-蒙乃爾(Monel)合金        好
0 b2 @0 [1 F% k司太萊（Stellite）合金        司太萊(Stellite)合金        極好
1 d: o, c; G& y; D        因科鎳(Inconel)合金        極好
0 S* f5 Y5 p" ~) W+ L/ C' I因科乃爾(Inconel)合金        鉻硼系合金        極好
杜里默特（Hastelloy）B        卡爾彭特爾(Carpenter)20        好
哈氏合金(Hastelloy)B        哈氏合金(Hastelloy)B        好
1 x1 k* {9 h- [" {6 N
●用于推薦的溫度極限及合適的負載和硬度,。
" q6 a1 A2 W6 w0 ?/ o/ R7 C5 n+ q●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,。

3 a8 n+ z: B7 x6 ~8 n2 ~
; S" l7 f6 |: K, a6 l+ x六,、氣蝕和閃蒸
在液體工況下，計算一個最大允許壓力降 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：
$ s5 s- l* U" J) t●盡可能在閥后增加多層籠,，以使得閥后的壓力逐級降壓；
& ^0 h6 Z% x0 o5 W. f●改變閥體及閥內(nèi)件的材料,；
) \7 r* m3 ]: F  A% T7 j●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。

bluesky99899

竟然沒有人看啊

binghu19

非常好的資料總結(jié),，學(xué)習(xí)了,，謝謝樓主碼了這么多字與我們分享

bstronger

學(xué)習(xí)了。不過表示我是新手,，有些內(nèi)容還是看不懂呀,。樓主。,。話說下次文章寫少一點唄
樓主,。你是做閥門設(shè)計的嗎

qq281696675

太專業(yè)了。都不知道國內(nèi)廠家有幾個能吃透,。

lucykoukou

ASME B16.34 中 奧氏體不銹鋼316只有當(dāng)含碳量超過0.04%時,，才能使用于538℃以上的環(huán)境。好像不是0.4%吧
8 ]/ d; z6 D) I" G$ ~+ P2 p
我感覺這段文字更像教科書或者設(shè)計手冊上的,，實際設(shè)計的時候,，有多少企業(yè)是真正經(jīng)過一系列詳細計算的呢？