溫工況下閥門設(shè)計注意事項
摘要：本文闡述了溫工況下閥門設(shè)計時，材料選用、結(jié)構(gòu)設(shè)計等注意事項。
關(guān)鍵詞：溫、蠕變、熱膨脹、硬度、塑變和擦傷。 閥門（包括控制閥和閥）在過程控制和管線中的作用非常重要，而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)計溫工況下使用的閥門時，應(yīng)注意以下幾點：
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、溫工況下、閥門材料選用注意事項
溫工況下、閥門在Z工作溫度和Z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、 溫硬度
e、 沖擊強(qiáng)度
f、 溫時效
在溫條件下，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。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。
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，Z溫度極限的選擇必須在一個安全的范圍內(nèi)。
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的溫穩(wěn)定性，可根據(jù)不同的溫工況，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） | ZHRC14 |
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） | / |
二、閥門零、部件的間隙和散熱
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)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，這樣使其在溫下工作也不會發(fā)生卡死現(xiàn)象。
對泄漏量要求較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，以免在溫下，閥門泄漏量大幅度增加。
設(shè)計在溫介質(zhì)場合使用的閥門，還應(yīng)考慮閥體、閥蓋及連接件工作在溫下，材料承受由于溫帶來的附加載荷，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，而在溫、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、溫周期性變化工況下密封結(jié)構(gòu)：
用于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，在溫且溫度循環(huán)變化的情況下，有良的密封效果。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
計算溫情況下，材料的密封比壓時，應(yīng)考慮溫情況下，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、溫情況下，材料硬度的變化
在溫情況下，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型不銹鋼溫下的機(jī)械性能
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 |
※溫度低于800℉時，蠕變、斷裂無意義。 五、材料的塑變和擦傷
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，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)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 下列金屬配對有低塑變、低擦傷趨勢
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 | 極 |
因科鎳（Inconel）合金 | 極 |
鉻硼系合金 | 鉻硼系合金 | 極 |
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)
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。
