阀门在苛刻工况下设计的注意事项

摘 要：本文阐述了控制阀在严苛工况下设计与制造的部分注意事项，主要针对高温、高压差、高流速及气蚀状况下的阀门在设计时，对材料的选择、结构的设计和制造的工艺需要设计人员考虑的几个问题点。

关键词：热膨胀 塑变 振动 气蚀 闪蒸

控制阀是过程控制工业里常用的终端控制元件，控制阀调节流动的流体，以补偿负载扰动并使得被控制的过程尽可能地靠近需要的设定点，基于其在工业自动化领域里的重要性，使得控制阀的设计及制造尤为重要，特别是某些严苛的工况，如高温、高压差、高流速、气蚀等，笔者将从材料、结构、制造等方面加以论述。

一、阀门材料的选择
1、金属材料
材料是至关重要的因素，如材料的性能、蠕变、热膨胀率、抗氧化性、耐磨性、热擦伤性及热处理温度等，这些是首先应注意的事项。在高温（427℃）状况下，蠕变和断裂是材料破坏的主要因素之一，特别是碳素钢，当长期暴露在427℃以上时，钢中的碳化相可能转变为石墨，而对于奥氏体不锈钢只有当含碳量超过0.4%时，才可以用于528℃以上。因此，在高温下使用时，应分别计算阀体材料的抗拉强度、蠕变、高温时效等参数。而对于阀内件的设计，还应该附加考虑材料在高温的硬度、配合部件的热膨胀系数、导向部件的热硬度差、弹性变形、塑性变形等。在设计中，应给予相应的安~全系数和可靠系数，以确保避免在多因素下所产生的破坏。并要熟悉高温下材料的蠕变率，以选取合适的应力，使材料总的蠕变在正常使用寿命范围内不扩展至断裂或允许其产生微变形而不影响导向零件的正常使用。
为避免阀内件（阀芯、阀座）表面的磨损、冲蚀及气蚀，高温情况下要考虑材料的热硬度，防止金属硬度变化。在高压差下，流体的大部分能量集中于阀内件进行释放，对阀内件有超负载的可能，而高温下，大部分材料的机械性能变差，材料变软，大大影响了阀内件的使用寿命。因此，应正确选择合适的材料，延长阀门的使用寿命。另外，还要考虑高温时效对材料物理性能的影响，如韧性和晶间腐蚀的变化。当使用温度达到或超过热处理温度时，阀内件会产生退火，硬度降低等问题，为防止材料硬度发生变化，高温度极限的选择必须在一个安~全的范围内。而相同的介质，在高温状况下，其分子的活动性相对活跃，某些具有一般腐蚀性的介质可能对阀体及阀内件金属材质带来严重的腐蚀破坏，介质以高速的离子状态渗入金属内部，使材料的特性发生改变，如热膨胀性、晶间腐蚀等，因此，对材料的选择，除了性价比之外，还应考虑多因素下所产生的失效性。
高压差、高流速情况下，即使温度是常温，也应评估材料的特性，使材料可以满足该工况。一般来说，常温下，当压差超过15bar时，应将阀芯、阀座的材料由316SS调整为司太莱合金堆焊或更高要求的合金，对于弱腐蚀性的介质，可选用420QT（淬火+回火）、440QT等。
高压差、高流速会带来严重的冲蚀或气蚀，这对阀内件材料的伤害非常大，因此，对阀体及阀内件的材料要求非常高，对于阀笼应考虑使用不锈钢表面渗氮（HRC70）处理，使之具有较强的耐冲蚀性，提高阀门流量的精度和使用寿命。
高温下材料的抗氧化能力，也是一个非常重要的参数。在温度循环变化中，所选用的材料应避免发生材料表面重复氧化，产生氧化皮等问题。一般情况下，奥氏体不锈钢系、硬质合金系及特种合金系的材料有较好的高温稳定性，可根据不同的高温工况选用合适的材料。
2、非金属材料
一般的非金属材料无法承受高温（300℃以上），但柔性石墨可以承受700℃以上的高温，因此高温工况下，无论是静密封还是动密封，一般可以选取柔性石墨或复合材料，但应注意摩擦系数会增大。

二、阀门零部件的结构和导热系数的选择
高温高压差阀门设计中，必须仔细考虑不同零部件的热膨胀对阀内件动作的影响。当高温介质流过阀门时，由于阀体的线膨胀系数往往小于阀座的线膨胀系数，所以阀体限制了阀座的径向膨胀，阀座只能向内径膨胀，使得在高温下，阀芯与阀座的工作间隙小于常温下标准阀门设计的间隙，造成阀内件卡死。阀芯与导向套也会产生同样的现象。 因此，阀门在高温下使用时，常温下标准阀门的设计间隙（包括阀芯、阀座间；导向套、阀杆间）应当适当增加，这样使其在高温下工作也不会发生卡死现象。因此间隙的设计显得非常重要，因材料，尺寸及温度差等参数的确认对设计人员非常重要，目前，可从《ASME锅炉及压力容器规范 Ⅱ材料 D篇 性能》中得到相应的数据。
对泄漏量要求较高的场合下阀体和阀座尽量采用相同的合金钢制造，并采用单座或笼式结构，尽量避免采用双座阀结构，还要在密封面进行硬化处理，以免高温下阀门泄露量大幅度增加。另外还应考虑阀体、阀盖及连接件承受由于高温带来的附加载荷造成的破坏。
温度的循环变化会使阀座和导向套松动，因此必须采用密封焊和搭接焊来防松或压紧结构。阀座垫片的密封是在密封力大于垫片的屈服极限才能够获得，而在高温、高压及热循环工况下，密封材料发生蠕变而产生渗漏，可采用整体阀座，由阀体上直接制成阀座并使之硬化。对于大口径阀门，可在阀体上焊接阀座，去除垫片来避免不必要的泄漏。根据介质的温度高低，还要考虑填料函中填料可承受的温度及执行机构可承受的温度。
填料函结构和使用温度之间的关系：
250℃以上，上阀盖延伸，用较长的阀盖散热片，以保持填料不受高温的影响。
450℃以上，上阀盖加长，用较长的阀盖散热片，以保持填料不受高温的影响。

三、高温高压差周期性变化工况下密封结构
用于高温周期性变化的阀座密封面结构可采用自对中契状结构。该结构用于零件膨胀造成密封线不圆及阀座的磨损，有自动对中和补偿作用。在高温高压差且温度循环变化的情况下可有良好的密封效果，其密封是依靠柔性阀座密封部位的弹性变形实现的。
高温情况下计算材料的密封比压，应考虑到其密封材料的强度极限、屈服极限在高温情况下都有所下降，来选用合理的数值。

四、高温情况下，材料硬度的变化
在高温情况下，各种材料的硬度都有不同程度的下降，硬度下降增加了材料塑变和擦伤的可能。图1是表面硬化材料钨铬硬质合金、铬硼合金及部分不锈钢热硬度比较。
从图1中可以看出，416、440系列不锈钢在温度大于700°F（371℃）时，其硬度下降很快。而6号铬硼系合金及司6号钨铬硬质合金在温度大于1000°F（539℃）时，其硬度才有所下降。

五、材料的塑变
塑变是指一种金属表面被其它材料擦伤，粘结在一起或表面滚成球形。它和温度、材料、表面光洁度、硬度、载荷有关，会受流体的影响，高温会使金属软化，增加其塑变趋势。塑变会引起：
卡住阀门；
损坏密封面；
增加摩擦力，引起阀芯定位不准。
管线流体中如夹有较大较硬的颗粒，会使阀内件磨得粗糙不平，产生塑变。冲击振动也会造成零件承受冲击表面、配合表面的破坏，有时也会引起塑变。

表3 下列金属配对具有低塑变趋势