有关高温阀门设计的主要技术探究

有关高温阀门设计的主要技术探究摘要：随着工作温度的升高，由金属材料制作而成的高温阀门塑性、硬度、强度均会发生显著异变，对阀门设计提出了更高的要求。因此，文章阐述了与高温阀门相关的一些概念，讨论了高温阀门的材料选择要点，并从分析相关热膨胀变量、分析热交变量、内部耐磨涂层设计等方面，对高温阀门设计的关键技术进行了进一步探究，希望为高温阀门设计提供一些参考。关键词：高温阀门；阀座设计；热交变量前言：二十一世纪，现代科技高速发展，在多个行业均获得了显著的突破，特别是在工业压缩机方面。而阀门是工业压缩机流体控制体系中无法缺失的装置，关乎流体控制效率。随着工业压缩机生产工艺的成熟完善，对高温阀门也提出了更高的要求。但是，由于热膨胀变量、热交变量等干扰因子的存在，高温阀门应用推广瓶颈仍然存在。因此，结合耐高温材料的发展情况，对高温阀门的设计技术进行适当探究具有非常重要的意义。1.关于高温阀门的相关概述在流体输送系统中，阀门是重要的控制部件，承担着稳定压力、截止流体、疏导流体、调节流体、溢流泄压、分流泄压等多种功能。顾名思义，高温阀门（如图1）是可以忍耐、承受较高温度的阀门装置。从专业视角上进行分析，阀门工作温度大于450°的阀门称之为高温阀门，当前并没有统一的阀门分类标准。部分学者凭借专业研究结果，以温度为依据，将高温阀门进行了等级的简单划分⑴即将工作温度大于425°C但小于550°C的阀门定为PI级；将工作温度大于550°C但小于650C的阀门定为PII级；将工作温度大于650C但小于730C的阀门定为PIII级；将工作温度大于730C但小于816C的阀门定为PIV级；将工作温度超过816C的阀门定为PV级，其不仅需要选择恰当的材料，而且需要采取衬隔热衬里、设计冷却结构等特殊的手段，保证性能。

图1高温阀门高温阀门具有优良的淬火性（实现深度淬火）、加工性能、冲击吸收性能（锤子无法进行暴力破坏），包括高温止回阀、高温进气阀、高温压力阀等几种类型。二、高温阀门的材料选择材料选择是高温阀门设计的重要环节，根据材料性质的差异，所适用的设计方案也具有较大差别。因此，设计人员应以“温度小于材料最大允许使用温度”为基准，浏览或下载ASME压力管道标准B31.3《工艺管道》（美国国家标准）-2018，删选标准中关于高温阀门应用频率较高材料的最高水平使用温度（局部见表1），进行科学设计⑵表1高温阀门应用频率较高材料的最高水平使用温度（局部）名称材料牌材料名义成分最高温度附注格钼钢锻件A182F2221/4Cr-1Mo649°C超过454C时，焊接金属含碳量应超过

0.05%。不锈钢锻件A182F31616Cr-12Ni-2Mo816C超过538C时，焊接金属含氮量应不小于0.04%。铭钼钢铸件A217WC611/4Cr-1/2Mo649C材料允许温度实际低于表中数值如表1所示，在了解不同高温阀门常用材料最高使用温度后，设计人员需要额外考虑应力水平、介质腐蚀性，进行材料的恰当选择。在腐蚀性因子持续破坏、损耗材料性质的工作情况下，设计人员应根据相关工作情况的内部，进行材料的针对性筛选。根据腐蚀性因子类别的差异，可以将上述工作状况划分为硫化氢场景、临氢场景、氯化物场景等几种类型。在硫化氢场景，一旦工作环境温度在240.00°C数值水平以上（存在水分），就会导致阀门材料快速、均匀腐蚀开裂。因此，针对工作环境温度在240.00C数值水平以上（存在水分）的情况，设计人员应以《高压加氢装置用阀门技术规范》JB/T11484-2013为基准，对阀门壳体材料、内材类别以及抗性、耐性标准进行细化明确。同时具备抗硫、抗氢的材料主要有碳素钢、铭一钼钢等。前者需要选用低含硫（小于0.02%）、低含碳（小于0.23%）、低含磷（小于0.02%）的质量较为优异的碳素钢，以ASTMA105、ASTMA216WCC分别为锻材、铸材；而后者需要选用铭一钼钢，其具有低含碳（小于0.16%）、低含硫（小于0.02%）、低含磷（小于0.02%）的特定，分别以ASTMA182F22Classi、ASTMA217WC9为锻材、铸材⑶。在临氢场景，若工作温度大于281°C但小于500°C，设计人员可以将ASTMA351CF8C作为阀门壳体材料，将ASTMA638GR660作为内件材料（含阀轴、阀座、阀瓣、上密封座、密封面）。在氯化物腐蚀工况下，设计人员可以根据介质、温度，选择镍基合金、不锈钢作为壳体材料、内材。若氯化物介质浓度较高，则可以选择Inconel合金作为内材。三、高温阀门设计的关键技术（一）分析相关热膨胀变量因材料热膨胀系数、组成构件所承受热载不相关因子的存在，几乎全部同时从低水平温度上升到高水平温度的阀座、阀芯的膨胀量会出现一定幅度波动。为了避免因高温阀门座、阀芯之间因高温膨胀变量而造成的擦伤、卡死情况，设计人员需要通过分析相关热膨胀变量，进行阀门零件之间工作间隙的适当调整。同时在热态流体逐步向冷态阀门流动过程中，高温阀门阀芯会迅速被热态流体包裹，而阀芯的热量流失仅可依赖与之相连接的小横截面阀杆，导致高温阀门阀芯可以在短时间内上升到与管线流体相一致的温度。同理，高温阀门阀座较之阀芯在热量散失条件方面表现更佳，具体表现为其在径直方向的膨胀波动水平优于阀门整体的线性膨胀波动水平⑷。基于此，设计人员应综合考虑使用温度、材料线性膨胀系数、应力等因素，进行高温环境下的阀门工作间隙的增大处理。一般来说，高温阀门材料的热膨胀变量与其尺寸变化呈现出渐近线性关系，随着阀门材料尺寸的增加，其热膨胀系数也无限趋近于一般定义的数值，基于此，为避免部件不同部位收缩程度存在差异，设计人员首先可以热膨胀系数为指标，分别在常温下、高温下（450C、649C、816C）对不同材质、形状的阀门的热膨胀变量进行评估。比如，GSC-25P265GH碳钢材料的阀门具有较为明显的非线性特征，其在尺寸为15.00mm时，膨胀系数为5.87；在尺寸为150.00mm时热膨胀系数为14.52。根据评估结果，设计人员可以进行阀座、密封圈形状的调整，以便最大程度控制阀座、门芯之间的高温膨胀。比如，将阀门的阀座、密封圈均设置为标准圆形，保证阀座、密封圈阀体壁厚数值完全相等。同时结合O型密封圈的弹性形变情况，获得四偏心或者五偏心的阀门机构。需要注意的是，对于以柱塞阀为代表的部分高温阀门而言，阀门有效温域会随着阀门工作间隙的增加而下降，进而在室内温度或者温度下降时出现泄漏。因此，设计人员应注意根据高温阀门使用功能，进行高温环境下阀门工作间隙增加量的控制。在这个基础上，针对个别阀门阀座在淬火高温下出现的热膨胀变量，设计人员可以专门设计一个阀座形状校正工装冶炼工具。在相关工序结束之后，对阀门阀座尺寸进行检测，依托1600.00kN压力机，实现热校形，防控实践阶段热处理环节尾声到来前出现膨胀余量丘。1.分析热交变量在工作温度超出一定标准的临界点，热交变量会诱使阀座、导向套之间的连接不再牢靠，甚至会驱动高温阀门零件的疲劳老化过程呈现高速发展态势。因此，在设计阶段，设计人员应利用热交变量分析技术，高温环境下热交变量对阀座、导向套以及阀门零件的不良作用，以便及时采取相应措施。比如，对于密封结构，可以优先配置弹性阀座降低热交变量等。以高温环境下热交变量对阀座的不良作用分析为例，阀座是压缩机隔膜泵上固件易损件，在运行阶段极易受到高温环境的冲击，进而影响整个机器的运行效率、年限。一般设计要求阀座的运行时间应超过1200.00h，但是在实际阀座运行过程中，超过四成的阀座无法满足这一标准。基于此，需要对高温环境下阀座受热交变量的影响进行分析。假定阀座为6272/6205mmx100mm的20CrMnTi合金渗碳钢，渗碳层超过2.30mm，淬火后硬度在55.00HRC但小于60.00HRC。为验证普通阀座和弹性阀座在热交变量方面的差异，可以对温度升高时整个阀座密封结构进行观察⑹。观察结果表明，弹性阀座结构在温度升高时可以保证自身与导向套连接的牢固性，且运行时间没有缩短，而一般阀座结构在温度升高时与导向套连接出现了明显的松动，且运行时间远远短于弹性阀座结构。因此，设计人员可以进行弹性阀座结构设计。即利用压缩弹簧的助推力，促使密封圈、球体始终处于紧密接触状态，实现预紧密封效果。常见的弹性阀座结构包括阀前密封、阀后密封、双面密封多种形式，在密封特点、应用场景、应用参数方面均存在一定差异。以固定止回阀弹簧组弹性阀座阀前密封为例，在阀体接触面中径超过球体接触面中径时，可以选择阀前密封结构，促使阀座的流体受压面超出球体密封圈反向受压面积，同时利用弹簧预紧密封力、流体的作用，促使密封圈与球体无缝隙贴合。1.内部耐磨涂层设计高温阀门运行工况具有高温、高压的特点，在阀门介质为液固或者气固混合物料时，若固体颗粒硬度处于一个较高的数值，阀门本体与阀体密封面极易出现磨损。尤其是气固混合介质引发的球体、阀座之间的干摩擦，极易造就密封面磨损超过限度、拉伤、实效，整个阀门寿命在一个月以内，增加了阀门使用成本。而内部耐磨涂层设计，可以恢复失去实效性的零件使用寿命应具备的功能卫。在内部耐磨涂层设计过程中，可以选择的涂层类型为WC-Co金属陶瓷涂层、ALO-2313.00%+WC-12.00%Co金属陶瓷涂层。以某企业为例，该企业煤制1.4一丁二醇用隔膜泵，进口操作压力、出口操作压力分别为0.18MPa、8.0MPa。该隔膜泵压缩机在与泵相连的弹簧作用下，可以打开隔膜泵顶盖，促使带有催化剂镍粉的溶液进入下一模块。进而隔膜泵端盖高度下滑，配合泵下部作业，阻断催化剂溶液流动，循环作业。在该泵检修阶段，因进口单向阀安装难度增加，且接触介质为水固混合物，导致上下泵阀门基体长期承受接触磨损、撞击，出现了溶液泄露问题。基于此，为了避免泵单向阀失效而增加生产成本，设计人员可以选定660mmx15mm的40Cr13马氏体不锈钢作为基体材料。进而对基体材料的化学成分进行测试，通过分析碳、硅、锰、硫、磷、铭的质量分数，判定阀芯是否经低温回火、高温淬火处理。在确定阀芯经过上述操作之后，依据纳米ALO-13.00%+WC-12.00%Co的配方，粉末粒度设定为2350.00~500.00mm，涂层厚度为50.00um。纳米ALO-13.00%+WC-12.00%Co粉末由23粒子相互搭接形成了致密的涂层组织，配合电弧喷涂阶段因弧区高温材料氧化而生成的少量三氧化四铁，可以减少粗大孔隙生成，杜绝裂纹出现。一般纳米ALO-13.00%+WC-12.00%C。涂层、高温阀门内部结合强度可以提升到59.00MPa以上，且在数百次冷热循环中无裂纹、剥离现象出现，提高高温球阀内材抗热震性能。同时氧化铝、氧化钛、陶瓷、氧化钻等硬质金属化合物在金属球阀表面的沉积，可以促使涂层表面硬度远超出基体。一般金属陶瓷涂层的显微硬度可以达到1463(维氏硬度)，远高于高温阀门基体的显微硬度(524)。结语：综上所述，在多年的发展过程中，阀门已由简单的截止阀发展到复杂的高温自控阀，涉及规格、种类繁多，可以满足水、空气、蒸汽及各种腐蚀、放射介流体流动控制要求，高温阀门应用范围也不断拓展。根据高温阀门在压缩机中的应用情况，设计人员应选择恰当的高温阀门材料。并凭借专业经验，利用相关热膨胀变量分析、热交变量分析以及内部耐磨涂层设计技术，满足高温阀门的设计应用需求。参考文献：1.林振浩，钱锦远，李文庆,金志江.高温阀门的研究进展[J].机电工程,2020,(07):729-735.2.崔丽，黄云浩，田德永.高温阀门的设计与材料选择[J].山东工业技术,2017,(06):52-53.3.荀中正，刘晟.高温烟气三通阀在硫酸装置中的应用[J].