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1、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
2、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 1即将工作温度大于425C
3、但小于550C的阀门定为PI级；将工作温度大于 550C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。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
4、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2。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）号F22A182材料名义成分最高温度附注21/4Cr-IMo649C超 过 454C时，焊 接金属含碳 量应超过材料牌如表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
5、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240.00C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、铬钼钢等。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AST
6、M A105、ASTM A216 WCC分别为锻材、铸材；而后者需 要选用铬钼钢，其具有低含碳（小于0 . 1 6% ） 、低含硫（小于0 . 0 2% ） 、低含磷（小于 0. 02%）的特定，分别以 ASTM A182F22 Classi、ASTM A217 WC9 为锻材、 铸材3。在临氢场景，若工作温度大于281C但小于500C，设计人员可以将ASTM A351 CF8C作为阀门壳体材料，将ASTM A638 GR660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，
7、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
8、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4。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-25 P265GH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
9、.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
10、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5。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，
11、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272/205mmxl00mm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6。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
12、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
13、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7。在 内部耐磨涂层设计过程中，可以选择的涂层类型为WC-C。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
14、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60mmxl5mm的40Crl3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 铬的质量分数，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AL O -13.00%+WC-12.00%Co的配方
15、，粉末粒度设定为2350.00500.00mm，涂层厚度为 50.00 口 m。纳米 AL 0-13.00%+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AL O -13.00%+WC-12.00%Co 涂层、高温阀门内部结合强度可以提升到 59.00MPa 以 23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、氧化钴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
16、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.
