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江蘇國儀自動化儀表有限公司
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高溫工況下儀表閥門設(shè)計注意事項

時間:2009/7/15閱讀:1658
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  儀表閥門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),并受到流體的影響,高溫會使金屬軟化或退火,增加其塑便和擦傷趨勢。
      塑變和擦傷會引起:(1)卡住閥門(2)損壞密封面(3)增加摩擦力,引起閥芯定位不準(zhǔn)。
      管線流體中,如果夾有較大較硬的顆粒會把閥內(nèi)件磨得粗糙不平,易產(chǎn)生塑變和擦傷。沖擊振動會造成零件承受沖擊表面、配合表面的破壞,有時也會引起塑變和擦傷。
      液體金屬,例如鈉、鉀,能夠去除金屬表面的氧化膜,在溫度≥204℃(400℉)時,極易產(chǎn)生擦傷且比較嚴(yán)重,應(yīng)仔細(xì)選擇材料,避免擦傷的發(fā)生。
      防止金屬表面的塑變和擦傷的方法主要有:
      (1) 零件采用硬度較高材料制成。
      (2) 選用低塑變、低擦傷的配對材料,見表3。
      (3) 對于相互配合的兩種零件,采用不同的材料制造。
      (4) 在選用配合零件的材料時,保證配合零件材料的硬度上有5~10Rc的硬度差。
      (5) 確定合理零件表面粗糙度和硬度,或者在零件表面采用特殊的覆蓋層,保證配合運(yùn)動面的硬度差。
      (6) 確定合理的載荷,根據(jù)載荷選用合理的材料及強(qiáng)度。
      (7) 設(shè)計時,應(yīng)根據(jù)高溫下不同材料的膨脹系數(shù)認(rèn)真計算膨脹量,從而確定配合零件的尺寸,保證閥內(nèi)件工作時一個適當(dāng)?shù)牟僮鏖g隙。
      (8) 在投入使用前,將閥門在低載荷及帶潤滑下試運(yùn)行(磨合)。       表3 下列金屬配對具有低塑變、低擦傷趨勢

 
二、閥門零、部件的間隙和散熱
       高溫閥門設(shè)計中,必須仔細(xì)考慮不同零、部件的熱膨脹對閥內(nèi)件動作的影響。當(dāng)高溫流體流過閥門時,由于閥座的質(zhì)量較小,溫度上升很快,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、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。閥芯導(dǎo)向桿與導(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。
      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),并在密封面進(jìn)行硬化處理,以免在高溫下,閥門泄漏量大幅度增加。
      設(shè)計在高溫介質(zhì)場合使用的閥門,還應(yīng)考慮閥體、閥蓋及連接件工作在高溫下,材料承受由于高溫帶來的附加載荷,包括材料熱膨脹、蠕變等產(chǎn)生的附加載荷,避免由于附加載荷造成的破壞。
       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,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,采用在閥體上焊接閥座的方法,去除墊片,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(jī)構(gòu)可承受的溫度。
      閥內(nèi)件、填料函結(jié)構(gòu)和使用溫度之間的關(guān)系
      450℉(232℃)以上,上閥蓋延伸,用較長的閥蓋閥桿散熱片保持填料密封。
      600℉(316℃)以上,間隙加大閥芯、閥座密封部分硬化處理。
      750℉(399℃)以上,所有螺紋連接的閥座將會泄漏,必須施加密封焊,防止松動。
      900℉(428℃)以上,所有導(dǎo)向套、閥芯導(dǎo)向和導(dǎo)向桿須表面硬化處理,導(dǎo)向套搭接焊。
      1050℉(566℃)以上,表面硬化,采用整體閥座、導(dǎo)向套。
      三、高溫周期性變化工況下密封結(jié)構(gòu):
      用于高溫周期性變化的閥座密封面結(jié)構(gòu)如圖1。
      對于溫度周期變化的閥座密封面結(jié)構(gòu)可采用圖示柔性閥座唇部結(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(bǔ)償作用,在高溫且溫度循環(huán)變化的情況下,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。
 
 
 
圖1
 
      計算高溫情況下,材料的密封比壓時,應(yīng)考慮高溫情況下,其密封材料的強(qiáng)度極限、屈服極限都有所下降,選用合理的數(shù)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2是表面硬化材料司太立合金、鉻硼合金及部分不銹鋼熱硬度比較。
  
圖 2
 
      從圖2中可以看出,416、440系列不銹鋼在溫度大于371℃(700℉)時,其硬度下降很快。而6號鉻硼系合金及6號司太立合金在溫度大于538℃(1000℉)時,其硬度才有所下降。       表2 316型不銹鋼高溫下的機(jī)械性能
 
 

高溫工況下儀表閥門設(shè)計注意事項

 
高溫工況下閥門設(shè)計注意事項
 
摘要:本文闡述了高溫工況下閥門設(shè)計時,材料選用、結(jié)構(gòu)設(shè)計等注意事項。
關(guān)鍵詞:高溫、蠕變、熱膨脹、硬度、塑變和擦傷。       閥門(包括控制閥和工藝閥)在過程控制和工藝管線中的作用非常重要,而高溫工況下的閥門和常溫工況下使用的閥門又有很大的不同,因此,設(shè)計高溫工況下使用的閥門時,應(yīng)注意以下幾點:
      高溫工況下,閥門設(shè)計注意事項主要包括:材料的強(qiáng)度,蠕變,熱膨脹率,抗氧化性,抗磨損、抗擦傷性能和熱處理溫度。零、部件間的間隙,熱循環(huán)對閥門密封,閥座墊片密封及導(dǎo)向套松動的影響。
      一、高溫工況下、閥門材料選用注意事項
高溫工況下、閥門在zui高工作溫度和zui高極限溫度下確定材料時,應(yīng)注意所選材料以下幾個方面的性能:
      a、 抗拉強(qiáng)度
      b、 屈服極限
      c、 蠕變和斷裂〔溫度≥800℉(427℃)〕
      d、 高溫硬度
      e、 沖擊強(qiáng)度
      f、 高溫時效
       在高溫條件下,材料屈服限,抗拉、抗壓強(qiáng)度降低。當(dāng)溫度在800℉(427℃)以上時,蠕變和斷裂應(yīng)成為考慮材料破壞的主要因素。高溫下使用時,閥內(nèi)件在負(fù)荷的作用下開始產(chǎn)生彈性變形,然后隨時間的延長繼續(xù)變形或產(chǎn)生蠕變。這時候材料產(chǎn)生塑性變形的應(yīng)力,要比給定溫度下的屈服應(yīng)力小。因此,在設(shè)計中,將應(yīng)力取低一些,可避免發(fā)生蠕變或減小蠕變,但這樣會造成零件重量體積過大又不經(jīng)濟(jì)。所以,設(shè)計者要知道在高溫下材料的蠕變率,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(kuò)展成斷裂或允許其產(chǎn)生小變形而不影響可動零件的正常使用。
      高溫情況下,為避免閥芯、閥座表面擦傷和損壞,還要考慮材料的熱硬度,防止金屬硬度變化。還要考慮高溫時效對材料物理性能的影響,例如:韌性、晶粒的變化,當(dāng)使用溫度達(dá)到或超過熱處理溫度時,會造成閥芯、閥座產(chǎn)生退火、硬度降低等問題,為防止材料硬度發(fā)生變化,zui高溫度極限的選擇必須在一個安全的范圍內(nèi)。
      高溫下材料的抗氧化能力,也是一個非常重要參數(shù),在溫度循環(huán)變化中,所選用的材料應(yīng)不會發(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,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。
      常用閥內(nèi)件材料的使用溫度和硬度見表1
      表1 閥內(nèi)件常用材料的使用溫度和硬度

材 料
下限:℃(℉)
上限:℃(℉)
使用硬度
304、316型不銹鋼
-268(-450)
316(600)
zui高HRC14
因科鎳(Inconel)合金
-240(-400)
649(1200)
HRC35~37(1200℉時)
K-蒙乃爾(Monel)合金
-240(-400)
 
482(900)
 
HRC27~35
蒙乃爾(Monel)合金
HRC30~38   HRC35(1200℉時)
哈氏合金(Hasloy)B
/
371(700)
HRC14
哈氏合金(Hasloy)C
/
538(1000)
HRC23
鈦合金
-196(-320)
316(600)
HRC28~35(70℉時)
杜里默特(Durimet)20(鑄件)
-46(-50)
316(600)
/
杜里默特(Durimet)20(鍛件)
-253(-425)
427(800)
/
司太立(Slite)6#
-273(-460)
649(1200)
         HRC40~45(70℉時)          HRC38 (1200℉時)
鉻化硼6#
-101(-150)
649(1200)
   HRC56~61(70℉時)       HRC44(1200℉時)
416型不銹鋼
-29(-20)
427(800)
HRC37~42
440型不銹鋼
-29(-20)
427(800)
HRC50~60
17-4PH不銹鋼
-40(-40)
427(800)
HRC40~45
化學(xué)鍍鎳
-268(-450)
427(800)
HRC16
鍍鉻
-273(-460)
316(600)
/
 
 

機(jī)械性能
21℃(70℉)
659℃(1200℉)
強(qiáng)度極限 (klbf/in2)
85
56
屈服極限 (klbf/in2)
38.5
20
蠕變(100000h或11年中的1﹪)(klbf/in2)
6
斷裂 (100000h)(klbf/in2)
12~16
 
 

閥芯
導(dǎo)向襯套
性能
312不銹鋼
17-4PH不銹鋼
400系列不銹鋼
司太立(Slite)硬質(zhì)合金
鉻硼系合金
因科鎳(Inconel)合金
304L不銹鋼
因科鎳(Inconel)合金
440C不銹鋼
440C不銹鋼
17-4PH不銹鋼
工具鋼
17-4PH不銹鋼
蒙乃爾(Monel)合金
K-蒙乃爾(Monel)合金
司太立(Slite)硬質(zhì)合金
司太立(Slite)硬質(zhì)合金
*
因科鎳(Inconel)合金
*
鉻硼系合金
鉻硼系合金
*
杜里默特(Durimet)20
卡爾彭特爾(Carpenter)20
哈氏合金(Hasloy)B
哈氏合金(Hasloy)B

        注:a、用于推薦的溫度極限及合適的負(fù)載和硬度。
            b、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。
        六、總結(jié)
      高溫情況下,閥門的設(shè)計比較困難,主要因為一般的制造廠沒有高溫檢測設(shè)備,無法驗證設(shè)計結(jié)果。一般多采用理論計算和實際經(jīng)驗相結(jié)合的方法來進(jìn)行高溫閥門的設(shè)計。本文提供的觀點和數(shù)據(jù)可供設(shè)計時加以參考。

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