有關高溫閥門設計的主要技術探究摘要：隨著工作溫度的升高，由金屬材料制作而成的高溫閥門塑性、硬度、強度均會發生顯著異變，對閥門設計提出了更高的要求。因此，文章闡述了與高溫閥門相關的一些概念，討論了高溫閥門的材料選擇要點，并從分析相關熱膨脹變量、分析熱交變量、內部耐磨涂層設計等方面，對高溫閥門設計的關鍵技術進行了進一步探究，希望為高溫閥門設計提供一些參考。關鍵詞：高溫閥門；閥座設計；熱交變量前言：二十一世紀，現代科技高速發展，在多個行業均獲得了顯著的突破，特別是在工業壓縮機方面。而閥門是工業壓縮機流體控制體系中無法缺失的裝置，關乎流體控制效率。隨著工業壓縮機生產工藝的成熟完善，對高溫閥門也提出了更高的要求。但是，由于熱膨脹變量、熱交變量等干擾因子的存在，高溫閥門應用推廣瓶頸仍然存在。因此，結合耐高溫材料的發展情況，對高溫閥門的設計技術進行適當探究具有非常重要的意義。1.關于高溫閥門的相關概述在流體輸送系統中，閥門是重要的控制部件，承擔著穩定壓力、截止流體、疏導流體、調節流體、溢流泄壓、分流泄壓等多種功能。顧名思義，高溫閥門（如圖1）是可以忍耐、承受較高溫度的閥門裝置。從專業視角上進行分析，閥門工作溫度大于450°的閥門稱之為高溫閥門，當前并沒有統一的閥門分類標準。部分學者憑借專業研究結果，以溫度為依據，將高溫閥門進行了等級的簡單劃分⑴即將工作溫度大于425°C但小于550°C的閥門定為PI級；將工作溫度大于550°C但小于650C的閥門定為PII級；將工作溫度大于650C但小于730C的閥門定為PIII級；將工作溫度大于730C但小于816C的閥門定為PIV級；將工作溫度超過816C的閥門定為PV級，其不僅需要選擇恰當的材料，而且需要采取襯隔熱襯里、設計冷卻結構等特殊的手段，保證性能。

圖1高溫閥門高溫閥門具有優良的淬火性（實現深度淬火）、加工性能、沖擊吸收性能（錘子無法進行暴力破壞），包括高溫止回閥、高溫進氣閥、高溫壓力閥等幾種類型。二、高溫閥門的材料選擇材料選擇是高溫閥門設計的重要環節，根據材料性質的差異，所適用的設計方案也具有較大差別。因此，設計人員應以“溫度小于材料最大允許使用溫度”為基準，瀏覽或下載ASME壓力管道標準B31.3《工藝管道》（美國國家標準）-2018，刪選標準中關于高溫閥門應用頻率較高材料的最高水平使用溫度（局部見表1），進行科學設計⑵表1高溫閥門應用頻率較高材料的最高水平使用溫度（局部）名稱材料牌材料名義成分最高溫度附注格鉬鋼鍛件A182F2221/4Cr-1Mo649°C超過454C時，焊接金屬含碳量應超過

0.05%。不銹鋼鍛件A182F31616Cr-12Ni-2Mo816C超過538C時，焊接金屬含氮量應不小于0.04%。銘鉬鋼鑄件A217WC611/4Cr-1/2Mo649C材料允許溫度實際低于表中數值如表1所示，在了解不同高溫閥門常用材料最高使用溫度后，設計人員需要額外考慮應力水平、介質腐蝕性，進行材料的恰當選擇。在腐蝕性因子持續破壞、損耗材料性質的工作情況下，設計人員應根據相關工作情況的內部，進行材料的針對性篩選。根據腐蝕性因子類別的差異，可以將上述工作狀況劃分為硫化氫場景、臨氫場景、氯化物場景等幾種類型。在硫化氫場景，一旦工作環境溫度在240.00°C數值水平以上（存在水分），就會導致閥門材料快速、均勻腐蝕開裂。因此，針對工作環境溫度在240.00C數值水平以上（存在水分）的情況，設計人員應以《高壓加氫裝置用閥門技術規范》JB/T11484-2013為基準，對閥門殼體材料、內材類別以及抗性、耐性標準進行細化明確。同時具備抗硫、抗氫的材料主要有碳素鋼、銘一鉬鋼等。前者需要選用低含硫（小于0.02%）、低含碳（小于0.23%）、低含磷（小于0.02%）的質量較為優異的碳素鋼，以ASTMA105、ASTMA216WCC分別為鍛材、鑄材；而后者需要選用銘一鉬鋼，其具有低含碳（小于0.16%）、低含硫（小于0.02%）、低含磷（小于0.02%）的特定，分別以ASTMA182F22Classi、ASTMA217WC9為鍛材、鑄材⑶。在臨氫場景，若工作溫度大于281°C但小于500°C，設計人員可以將ASTMA351CF8C作為閥門殼體材料，將ASTMA638GR660作為內件材料（含閥軸、閥座、閥瓣、上密封座、密封面）。在氯化物腐蝕工況下，設計人員可以根據介質、溫度，選擇鎳基合金、不銹鋼作為殼體材料、內材。若氯化物介質濃度較高，則可以選擇Inconel合金作為內材。三、高溫閥門設計的關鍵技術（一）分析相關熱膨脹變量因材料熱膨脹系數、組成構件所承受熱載不相關因子的存在，幾乎全部同時從低水平溫度上升到高水平溫度的閥座、閥芯的膨脹量會出現一定幅度波動。為了避免因高溫閥門座、閥芯之間因高溫膨脹變量而造成的擦傷、卡死情況，設計人員需要通過分析相關熱膨脹變量，進行閥門零件之間工作間隙的適當調整。同時在熱態流體逐步向冷態閥門流動過程中，高溫閥門閥芯會迅速被熱態流體包裹，而閥芯的熱量流失僅可依賴與之相連接的小橫截面閥桿，導致高溫閥門閥芯可以在短時間內上升到與管線流體相一致的溫度。同理，高溫閥門閥座較之閥芯在熱量散失條件方面表現更佳，具體表現為其在徑直方向的膨脹波動水平優于閥門整體的線性膨脹波動水平⑷?；诖?，設計人員應綜合考慮使用溫度、材料線性膨脹系數、應力等因素，進行高溫環境下的閥門工作間隙的增大處理。一般來說，高溫閥門材料的熱膨脹變量與其尺寸變化呈現出漸近線性關系，隨著閥門材料尺寸的增加，其熱膨脹系數也無限趨近于一般定義的數值，基于此，為避免部件不同部位收縮程度存在差異，設計人員首先可以熱膨脹系數為指標，分別在常溫下、高溫下（450C、649C、816C）對不同材質、形狀的閥門的熱膨脹變量進行評估。比如，GSC-25P265GH碳鋼材料的閥門具有較為明顯的非線性特征，其在尺寸為15.00mm時，膨脹系數為5.87；在尺寸為150.00mm時熱膨脹系數為14.52。根據評估結果，設計人員可以進行閥座、密封圈形狀的調整，以便最大程度控制閥座、門芯之間的高溫膨脹。比如，將閥門的閥座、密封圈均設置為標準圓形，保證閥座、密封圈閥體壁厚數值完全相等。同時結合O型密封圈的彈性形變情況，獲得四偏心或者五偏心的閥門機構。需要注意的是，對于以柱塞閥為代表的部分高溫閥門而言，閥門有效溫域會隨著閥門工作間隙的增加而下降，進而在室內溫度或者溫度下降時出現泄漏。因此，設計人員應注意根據高溫閥門使用功能，進行高溫環境下閥門工作間隙增加量的控制。在這個基礎上，針對個別閥門閥座在淬火高溫下出現的熱膨脹變量，設計人員可以專門設計一個閥座形狀校正工裝冶煉工具。在相關工序結束之后，對閥門閥座尺寸進行檢測，依托1600.00kN壓力機，實現熱校形，防控實踐階段熱處理環節尾聲到來前出現膨脹余量丘。1.分析熱交變量在工作溫度超出一定標準的臨界點，熱交變量會誘使閥座、導向套之間的連接不再牢靠，甚至會驅動高溫閥門零件的疲勞老化過程呈現高速發展態勢。因此，在設計階段，設計人員應利用熱交變量分析技術，高溫環境下熱交變量對閥座、導向套以及閥門零件的不良作用，以便及時采取相應措施。比如，對于密封結構，可以優先配置彈性閥座降低熱交變量等。以高溫環境下熱交變量對閥座的不良作用分析為例，閥座是壓縮機隔膜泵上固件易損件，在運行階段極易受到高溫環境的沖擊，進而影響整個機器的運行效率、年限。一般設計要求閥座的運行時間應超過1200.00h，但是在實際閥座運行過程中，超過四成的閥座無法滿足這一標準?；诖?，需要對高溫環境下閥座受熱交變量的影響進行分析。假定閥座為6272/6205mmx100mm的20CrMnTi合金滲碳鋼，滲碳層超過2.30mm，淬火后硬度在55.00HRC但小于60.00HRC。為驗證普通閥座和彈性閥座在熱交變量方面的差異，可以對溫度升高時整個閥座密封結構進行觀察⑹。觀察結果表明，彈性閥座結構在溫度升高時可以保證自身與導向套連接的牢固性，且運行時間沒有縮短，而一般閥座結構在溫度升高時與導向套連接出現了明顯的松動，且運行時間遠遠短于彈性閥座結構。因此，設計人員可以進行彈性閥座結構設計。即利用壓縮彈簧的助推力，促使密封圈、球體始終處于緊密接觸狀態，實現預緊密封效果。常見的彈性閥座結構包括閥前密封、閥后密封、雙面密封多種形式，在密封特點、應用場景、應用參數方面均存在一定差異。以固定止回閥彈簧組彈性閥座閥前密封為例，在閥體接觸面中徑超過球體接觸面中徑時，可以選擇閥前密封結構，促使閥座的流體受壓面超出球體密封圈反向受壓面積，同時利用彈簧預緊密封力、流體的作用，促使密封圈與球體無縫隙貼合。1.內部耐磨涂層設計高溫閥門運行工況具有高溫、高壓的特點，在閥門介質為液固或者氣固混合物料時，若固體顆粒硬度處于一個較高的數值，閥門本體與閥體密封面極易出現磨損。尤其是氣固混合介質引發的球體、閥座之間的干摩擦，極易造就密封面磨損超過限度、拉傷、實效，整個閥門壽命在一個月以內，增加了閥門使用成本。而內部耐磨涂層設計，可以恢復失去實效性的零件使用壽命應具備的功能衛。在內部耐磨涂層設計過程中，可以選擇的涂層類型為WC-Co金屬陶瓷涂層、ALO-2313.00%+WC-12.00%Co金屬陶瓷涂層。以某企業為例，該企業煤制1.4一丁二醇用隔膜泵，進口操作壓力、出口操作壓力分別為0.18MPa、8.0MPa。該隔膜泵壓縮機在與泵相連的彈簧作用下，可以打開隔膜泵頂蓋，促使帶有催化劑鎳粉的溶液進入下一模塊。進而隔膜泵端蓋高度下滑，配合泵下部作業，阻斷催化劑溶液流動，循環作業。在該泵檢修階段，因進口單向閥安裝難度增加，且接觸介質為水固混合物，導致上下泵閥門基體長期承受接觸磨損、撞擊，出現了溶液泄露問題?；诖?，為了避免泵單向閥失效而增加生產成本，設計人員可以選定660mmx15mm的40Cr13馬氏體不銹鋼作為基體材料。進而對基體材料的化學成分進行測試，通過分析碳、硅、錳、硫、磷、銘的質量分數，判定閥芯是否經低溫回火、高溫淬火處理。在確定閥芯經過上述操作之后，依據納米ALO-13.00%+WC-12.00%Co的配方，粉末粒度設定為2350.00~500.00mm，涂層厚度為50.00um。納米ALO-13.00%+WC-12.00%Co粉末由23粒子相互搭接形成了致密的涂層組織，配合電弧噴涂階段因弧區高溫材料氧化而生成的少量三氧化四鐵，可以減少粗大孔隙生成，杜絕裂紋出現。一般納米ALO-13.00%+WC-12.00%C。涂層、高溫閥門內部結合強度可以提升到59.00MPa以上，且在數百次冷熱循環中無裂紋、剝離現象出現，提高高溫球閥內材抗熱震性能。同時氧化鋁、氧化鈦、陶瓷、氧化鉆等硬質金屬化合物在金屬球閥表面的沉積，可以促使涂層表面硬度遠超出基體。一般金屬陶瓷涂層的顯微硬度可以達到1463(維氏硬度)，遠高于高溫閥門基體的顯微硬度(524)。結語：綜上所述，在多年的發展過程中，閥門已由簡單的截止閥發展到復雜的高溫自控閥，涉及規格、種類繁多，可以滿足水、空氣、蒸汽及各種腐蝕、放射介流體流動控制要求，高溫閥門應用范圍也不斷拓展。根據高溫閥門在壓縮機中的應用情況，設計人員應選擇恰當的高溫閥門材料。并憑借專業經驗，利用相關熱膨脹變量分析、熱交變量分析以及內部耐磨涂層設計技術，滿足高溫閥門的設計應用需求。參考文獻：1.林振浩，錢錦遠，李文慶,金志江.高溫閥門的研究進展[J].機電工程,2020,(07):729-735.2.崔麗，黃云浩，田德永.高溫閥門的設計與材料選擇[J].山東工業技術,2017,(06):52-53.3.荀中正，劉晟.高溫煙氣三通閥在硫酸裝置中的應用[J].