閥門在苛刻工況下設計的注意事項

摘 要：本文闡述了控制閥在嚴苛工況下設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計時，對材料的選擇、結構的設計和制造的工藝需要設計人員考慮的幾個問題點。

關鍵詞：熱膨脹 塑變 振動 氣蝕 閃蒸

控制閥是過程控制工業里*常用的終端控制元件，控制閥調節流動的流體，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定點，基于其在工業自動化領域里的重要性，使得控制閥的設計及制造尤為重要，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、結構、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，當長期暴露???427℃以上時，鋼中的碳化相可能轉變為石墨，而對于奧氏體不銹鋼只有當含碳量超過0.4%時，才可以用于528℃以上。因此，在高溫下使用時，應分別計算閥體材料的抗拉強度、蠕變、高溫時效等參數。而對于閥內件的設計，還應該附加考慮材料在高溫的硬度、配合部件的熱膨脹系數、導向部件的熱硬度差、彈性變形、塑性變形等。在設計中，應給予相應的**系數和可靠系數，以確保避免在多因素下所產生的破壞。并要熟悉高溫下材料的蠕變率，以選取合適的應力，使材料總的蠕變在正常使用壽命范圍內不擴展至斷裂或允許其產生微變形而不影響導向零件的正常使用。
為避免閥內件（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件進行釋放，對閥內件有超負載的可能，而高溫下，大部分材料的機械性能變差，材料變軟，大大影響了閥內件的使用壽命。因此，應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。當使用溫度達到或超過熱處理溫度時，閥內件會產生退火，硬度降低等問題，為防止材料硬度發生變化，*高溫度極限的選擇必須在一個**的范圍內。而相同的介質，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可能對閥體及閥內件金屬材質帶來嚴重的腐蝕破壞，介質以高速的離子狀態滲入金屬內部，使材料的特性發生改變，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，還應考慮多因素下所產生的失效性。
高壓差、高流速情況下，即使溫度是常溫，也應評估材料的特性，使材料可以滿足該工況。一般來說，常溫下，當壓差超過15bar時，應將閥芯、閥座的材料由316SS調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，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，這對閥內件材料的傷害非常大，因此，對閥體及閥內件的材料要求非常高，對于閥籠應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。
高溫下材料的抗氧化能力，也是一個非常重要的參數。在溫度循環變化中，所選用的材料應避免發生材料表面重復氧化，產生氧化皮等問題。一般情況下，奧氏體不銹鋼系、硬質合金系及特種合金系的材料有較好的高溫穩定性，可根據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合材料，但應注意摩擦系數會增大。

二、閥門零部件的結構和導熱系數的選擇
高溫高壓差閥門設計中，必須仔細考慮不同零部件的熱膨脹對閥內件動作的影響。當高溫介質流過閥門時，由于閥體的線膨脹系數往往小于閥座的線膨脹系數，所以閥體限制了閥座的徑向膨脹，閥座只能向內徑膨脹，使得在高溫下，閥芯與閥座的工作間隙小于常溫下標準閥門設計的間隙，造成閥內件卡死。閥芯與導向套也會產生同樣的現象。 因此，閥門在高溫下使用時，常溫下標準閥門的設計間隙（包括閥芯、閥座間；導向套、閥桿間）應當適當增加，這樣使其在高溫下工作也不會發生卡死現象。因此間隙的設計顯得非常重要，因材料，尺寸及溫度差等參數的確認對設計人員非常重要，目前，可從《ASME鍋爐及壓力容器規范 Ⅱ材料 D篇 性能》中得到相應的數據。
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構，盡量避免采用雙座閥結構，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。
溫度的循環變化會使閥座和導向套松動，因此必須采用密封焊和搭接焊來防松或壓緊結構。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、高壓及熱循環工況下，密封材料發生蠕變而產生滲漏，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。根據介質的溫度高低，還要考慮填料函中填料可承受的溫度及執行機構可承受的溫度。
填料函結構和使用溫度之間的關系：
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構
用于高溫周期性變化的閥座密封面結構可采用自對中契狀結構。該結構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的。
高溫情況下計算材料的密封比壓，應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，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。
管線流體中如夾有較大較硬的顆粒，會使閥內件磨得粗糙不平，產生塑變。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,那么就會產生閃蒸或氣蝕，也會引起對于閥門或相鄰管道的結構上的損壞，并增加了閥門的振動，而產生無法忍受的噪音。因此，應特別注意該閥門的設計。一般應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；
●改變閥體及閥內件的材料；
●增加閥門的流通面積，減小流速。

結束語
高溫高壓差情況下，閥門的設計比較困難，主要因為大多數閥門生產廠沒有高溫檢測設備，高壓差閥門的產生也需要大量的時間和實驗費用，無法驗證閥門的設計。因此，閥門設計人員應充分了解閥門原理，以設計出合理的結構，選擇正確的材料，本文提供的觀點和數據可供設計時參考。