高温阀门设计技术研究与分析

【摘 要】化工管道的阀门是控制化工原料流向和流量的关键性设备，而且还能起到良好的密封作用，管道阀门会受到高温、强酸性、强氧化性等外界环境因素的影响，这些因素会严重降低阀门的机械强度和材料硬度，使阀门出现锈蚀、塑性变形、断裂等问题。本文以高温对阀门的影响作为研究对象，首先分析高温对阀门的机械性能、材料的热膨胀以及机械摩擦等方面的影响，根据分析研究的结果给出阀门体以及内件的材料选择方案，具有一定的理论参考价值。

【关键词】管道阀门;高温影响;机械性能;阀门体

1引言

随着化工产品生产质量要求的不断提高，在化工管道中运输高温液体的情形会越来越多，这种现状对化工生产设备的工作性能提出了更严格的要求[1]。化工生产过程具有一定危险性，所以化工原料在管道输送过程中要严格保证管道的密封性，金属材料在受到高温高压作用时其物理性质会产生一定改变，在通常情况下在高温环境下阀门的机械强度和硬度等性能都会有所降低，如果阀门长期性工作在高温环境下会发生蠕变和断裂，这严重威胁化工生产过程的安全性，所以研究和设计专用于高温环境的阀门是具有较大实际意义的[2]。

2高温对阀门工作性能的影响

2.1阀门的机械性能

在高温环境的影响下，金属制成的阀门主要会出现两个方面的变化，第一个是阀门的机械强度，第二个方面是金属材料的理化性质，主要包括材料塑性变形量、弹性模量、硬度等等。

当金属阀门的工作温度在450℃以上时就需要考虑材料的蠕变效应，所谓蠕变效应是指金属材料在一定温度和压力的作用下出现缓慢微小且连续的塑性变形，如果阀门持续性处于蠕变状态下会使阀门可以承受的压力变小，在管道高压作用下产生断裂，造成严重的经济损失和人身伤害。所以在设计阀门是要尽可能避免金属出现蠕变。

在应力平衡值的选择方面可以依据以下标准，对于常规的高温阀门在正常工作20Kh阀门的总应变量不大于1%;对于核电站阀门在正常工作30Kh阀门的总应变量不大于1%。在某些情况下，即使阀门没有出现蠕变也发生零件断裂的问题，这是由于金属在高温环境下抵抗断裂的能力有两个指标：长期强度和持久强度，在材料没有发生蠕变时高温可能增加了金属脆性，改变了金属的持久强度，当阀门承受较大冲击时就可能发生断裂。

2.2热膨胀

热胀冷缩是金属材料普遍存在的性质，热膨胀是阀门与相连接的管道之间产生的物理变化，热膨胀只是一种主要的热物理变化还有其他形态的变化，它们发生的原理都相似但是具体的表现情况有所不同。热膨胀是由于高温流体首先是流向金属管道的，金属管道具有良好的导热性，所以金属管道已经预先膨胀，但是管道和阀门采用的材料具有差异性，高温的流体流向阀门相当于冷态金属突然受热，而且阀门体具有良好的密封性和一定的厚度，导致热量无法很好地传导到外界，从阀门总体上来看其热膨胀量要多于管道，这样就可能会导致管道与阀门之间的连接处出现空隙，这对于高温流体的传输具有泄漏的危险性。

2.3机械摩擦

在高温阀门中的机械摩擦是较为特殊的机械磨损形式，其发生原因是多方面的，除了常规的阀座与阀芯的配对问题、管路中的微粒摩擦阀门等等，高温流体的温度波动也可能引起阀门内部出现过度磨损的问题，由前文所分析的机械性能相关内容可知，当温度超过一定范围时，某些材料的硬度会急速下降，在通常情况下阀座和阀芯采用的材料是不同的，所以在高温环境下的硬度表现会有所不同，我们在设计阀门时最先需要考虑的是阀座和阀芯之间的配合问题，其次需要选择硬度差异值较小的两种材料作为阀门的制造材料，这样就可以最大限度减少阀门过度磨损的情况出现。

3高温阀门设计流程

3.1阀体和阀内件材料的选择

阀体是承受高温流体的主要部件，所以需要选择在高温环境下机械性能表现良好的材料，在高温高压环境下合金钢和不锈钢的硬度保持性能要优于碳素钢，所以选择阀体时可以考虑采用合金钢或者不锈钢，具体可以选择铬镍钛合金、铬化硼系列合金以及耐盐酸镍基合金等等。阀内件的选择需要综合考虑热膨胀效应以及高温环境过度磨损等问题。所以在选择阀内件材料的同时，考虑采用堆焊硬质合金或者陶瓷喷焊等表面硬化处理方式，来优化阀内件的耐磨损能力。

3.2阀内件表面的硬化处理

采用硬质合金或者陶瓷喷焊等表面硬化处理方式来加强零件表面的耐磨损能力是非常实用并且可行性较高的方式，陶瓷的主要材料是二氧化硅具有优良的化学稳定性，与化工生产常用的强酸强碱都不发生反应。而且可以减小在高温下阀内件的热膨胀量，在管道温度达到800℃时依旧保持阀门良好的密封性。虽然这种表面处理方式有许多优点，但是也存在诸多缺陷，例如当采用堆焊硬质合金的方式首先需要确定合理的堆焊层数和厚度，通常堆焊层数为3-4层，每一层的厚度要小于4mm，这对于操作人员的焊接技术提出非常高的要求，而且在表面处理后，各个部件的配合会出现差异。而采用喷焊陶瓷的方式会因为零件各个部位对陶瓷粉末的附着能力不同，导致零件表面陶瓷层分布不均匀，在喷焊陶瓷工序完成后要采用高硬度的磨砂轮对零件进行磨削。

4 结论

在高温阀门的设计中，温度是最优先考虑的问题，除了阀门的材料和表面处理需要严格要求之外，还可以对阀门的结构进行优化设计，例如在过高温度下阀座和阀芯的密封面都采用硬质表面，加长阀盖颈长间接降低阀门温度，尽可能采用具有弹性结构的阀芯和阀座以此减小热交变效应对阀门的影响，如果阀门与管道采用螺纹连接，连接处的密封环采用封焊用以减小发生泄漏的可能性。

参考文献：

[1]庄伟彬，金秋来，甘泉，侯守坤.应用于石化領域高温工况的阀门选型分析[J].中国石油和化工标准与质量，2020，40（20）：106-108.

[2]刘爱武.高温平板闸阀失效的因素与改进措施[J].化工管理，2020（25）：138-139.

作者简介：

施佳锋（1986-02-14），男，汉族，江苏启东人，大学本科学历，工程师，从事工作：机械设计。

（作者单位：江苏神通阀门股份有限公司）