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標(biāo)題: 閥門在嚴(yán)苛工況下設(shè)計(jì)的注意事項(xiàng) [打印本頁(yè)]

作者: bluesky99899 時(shí)間: 2008-3-22 14:53
標(biāo)題: 閥門在嚴(yán)苛工況下設(shè)計(jì)的注意事項(xiàng)
控制閥是過(guò)程控制工業(yè)里最常用的終端控制元件,，控制閥調(diào)節(jié)流動(dòng)的流體,，以補(bǔ)償負(fù)載擾動(dòng)并使得被控制的過(guò)程盡可能地靠近需要的設(shè)定點(diǎn)，基于其在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域里的重要性,，使得控制閥的設(shè)計(jì)及制造尤為重要,，特別是某些嚴(yán)苛的工況，如高溫,、高壓差,、高流速、氣蝕等，筆者將從材料,、結(jié)構(gòu),、制造等方面加以論述。

一,、閥門材料的選擇
1,、金屬材料
材料是至關(guān)重要的因素，如材料的性能,、蠕變,、熱膨脹率、抗氧化性,、耐磨性,、熱擦傷性及熱處理溫度等，這些是首先應(yīng)注意的事項(xiàng),。在高溫（427°C）狀況下,，蠕變和斷裂是材料破壞的主要因素之一，特別是碳素鋼,，當(dāng)長(zhǎng)期暴露在427°C以上時(shí),，鋼中的碳化相可能轉(zhuǎn)變?yōu)槭鴮?duì)于奧氏體不銹鋼只有當(dāng)含碳量超過(guò)0.4%時(shí),，才可以用于528°C以上,。因此，在高溫下使用時(shí),，應(yīng)分別計(jì)算閥體材料的抗拉強(qiáng)度,、蠕變、高溫時(shí)效等參數(shù),。而對(duì)于閥內(nèi)件的設(shè)計(jì),，還應(yīng)該附加考慮材料在高溫的硬度、配合部件的熱膨脹系數(shù),、導(dǎo)向部件的熱硬度差,、彈性變形、塑性變形等,。在設(shè)計(jì)中,，應(yīng)給予相應(yīng)的安全系數(shù)和可靠系數(shù)，以確保避免在多因素下所產(chǎn)生的破壞,。并要熟悉高溫下材料的蠕變率,，以選取合適的應(yīng)力，使材料總的蠕變?cè)谡Ｊ褂脡勖秶鷥?nèi)不擴(kuò)展至斷裂或允許其產(chǎn)生微變形而不影響導(dǎo)向零件的正常使用,。
為避免閥內(nèi)件（閥芯,、閥座）表面的磨損,、沖蝕及氣蝕，高溫情況下要考慮材料的熱硬度,，防止金屬硬度變化,。在高壓差下，流體的大部分能量集中于閥內(nèi)件進(jìn)行釋放,，對(duì)閥內(nèi)件有超負(fù)載的可能,，而高溫下，大部分材料的機(jī)械性能變差,，材料變軟,，大大影響了閥內(nèi)件的使用壽命。因此,，應(yīng)正確選擇合適的材料,，延長(zhǎng)閥門的使用壽命。另外,，還要考慮高溫時(shí)效對(duì)材料物理性能的影響,，如韌性和晶間腐蝕的變化。當(dāng)使用溫度達(dá)到或超過(guò)熱處理溫度時(shí),，閥內(nèi)件會(huì)產(chǎn)生退火,，硬度降低等問(wèn)題，為防止材料硬度發(fā)生變化,，最高溫度極限的選擇必須在一個(gè)安全的范圍內(nèi),。而相同的介質(zhì)，在高溫狀況下,，其分子的活動(dòng)性相對(duì)活躍,，某些具有一般腐蝕性的介質(zhì)可能對(duì)閥體及閥內(nèi)件金屬材質(zhì)帶來(lái)嚴(yán)重的腐蝕破壞，介質(zhì)以高速的離子狀態(tài)滲入金屬內(nèi)部,，使材料的特性發(fā)生改變,，如熱膨脹性、晶間腐蝕等,，因此,，對(duì)材料的選擇,，除了性價(jià)比之外,，還應(yīng)考慮多因素下所產(chǎn)生的失效性。
高壓差,、高流速情況下,，即使溫度是常溫，也應(yīng)評(píng)估材料的特性,，使材料可以滿足該工況,。一般來(lái)說(shuō)，常溫下，當(dāng)壓差超過(guò)15bar時(shí),，應(yīng)將閥芯,、閥座的材料由316SS調(diào)整為司太萊合金堆焊或更高要求的合金，對(duì)于弱腐蝕性的介質(zhì),，可選用420QT（淬火+回火）,、440QT等。
高壓差,、高流速會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的沖蝕或氣蝕,，這對(duì)閥內(nèi)件材料的傷害非常大，因此,，對(duì)閥體及閥內(nèi)件的材料要求非常高,，對(duì)于閥籠應(yīng)考慮使用不銹鋼表面滲氮（HRC70）處理，使之具有較強(qiáng)的耐沖蝕性,，提高閥門流量的精度和使用壽命,。
高溫下材料的抗氧化能力，也是一個(gè)非常重要的參數(shù),。在溫度循環(huán)變化中,，所選用的材料應(yīng)避免發(fā)生材料表面重復(fù)氧化，產(chǎn)生氧化皮等問(wèn)題,。一般情況下,，奧氏體不銹鋼系、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,。
2、非金屬材料
一般的非金屬材料無(wú)法承受高溫（300°C以上）,，但柔性石墨可以承受700°C以上的高溫,，因此高溫工況下，無(wú)論是靜密封還是動(dòng)密封,，一般可以選取柔性石墨或復(fù)合材料,，但應(yīng)注意摩擦系數(shù)會(huì)增大。

二,、閥門零部件的結(jié)構(gòu)和導(dǎo)熱系數(shù)的選擇
高溫高壓差閥門設(shè)計(jì)中,，必須仔細(xì)考慮不同零部件的熱膨脹對(duì)閥內(nèi)件動(dòng)作的影響。當(dāng)高溫介質(zhì)流過(guò)閥門時(shí),，由于閥體的線膨脹系數(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,，閥芯與閥座的工作間隙小于常溫下標(biāo)準(zhǔn)閥門設(shè)計(jì)的間隙,，造成閥內(nèi)件卡死。閥芯與導(dǎo)向套也會(huì)產(chǎn)生同樣的現(xiàn)象,。因此,，閥門在高溫下使用時(shí)，常溫下標(biāo)準(zhǔn)閥門的設(shè)計(jì)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(huì)發(fā)生卡死現(xiàn)象,。因此間隙的設(shè)計(jì)顯得非常重要，因材料,，尺寸及溫度差等參數(shù)的確認(rèn)對(duì)設(shè)計(jì)人員非常重要,，目前，可從《ASME鍋爐及壓力容器規(guī)范 Ⅱ材料  D篇性能》中得到相應(yīng)的數(shù)據(jù),。
對(duì)泄漏量要求較高的場(chǎng)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),，還要在密封面進(jìn)行硬化處理,，以免高溫下閥門泄露量大幅度增加。另外還應(yīng)考慮閥體,、閥蓋及連接件承受由于高溫帶來(lái)的附加載荷造成的破壞,。
溫度的循環(huán)變化會(huì)使閥座和導(dǎo)向套松動(dòng)，因此必須采用密封焊和搭接焊來(lái)防松或壓緊結(jié)構(gòu),。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(duì)于大口徑閥門,，可在閥體上焊接閥座，去除墊片來(lái)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。
填料函結(jié)構(gòu)和使用溫度之間的關(guān)系：
250℃以上,，上閥蓋延伸,，用較長(zhǎng)的閥蓋散熱片，以保持填料不受高溫的影響,。
450℃以上,，上閥蓋加長(zhǎng)，用較長(zhǎng)的閥蓋散熱片,，以保持填料不受高溫的影響,。

三、高溫高壓差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)可采用自對(duì)中契狀結(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(dòng)對(duì)中和補(bǔ)償作用。在高溫高壓差且溫度循環(huán)變化的情況下可有良好的密封效果,，其密封是依靠柔性閥座密封部位的彈性變形實(shí)現(xiàn)的,。
高溫情況下計(jì)算材料的密封比壓，應(yīng)考慮到其密封材料的強(qiáng)度極限,、屈服極限在高溫情況下都有所下降,，來(lái)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1是表面硬化材料鎢鉻硬質(zhì)合金、鉻硼合金及部分不銹鋼熱硬度比較,。
從圖1中可以看出,，416、440系列不銹鋼在溫度大于700°F（371℃）時(shí),，其硬度下降很快,。而6號(hào)鉻硼系合金及司6號(hào)鎢鉻硬質(zhì)合金在溫度大于1000°F（539℃）時(shí)，其硬度才有所下降,。

五,、材料的塑變
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)，會(huì)受流體的影響,，高溫會(huì)使金屬軟化,，增加其塑變趨勢(shì)。塑變會(huì)引起：
卡住閥門,；
損壞密封面,；
增加摩擦力,，引起閥芯定位不準(zhǔn)。
管線流體中如夾有較大較硬的顆粒,，會(huì)使閥內(nèi)件磨得粗糙不平,，產(chǎn)生塑變。沖擊振動(dòng)也會(huì)造成零件承受沖擊表面,、配合表面的破壞,，有時(shí)也會(huì)引起塑變。

表3  下列金屬配對(duì)具有低塑變趨勢(shì)
閥芯導(dǎo)向襯套性能
316不銹鋼 17-4PH不銹鋼好
400系列不銹鋼好
司太萊（Stellite）硬質(zhì)合金好
鉻硼系合金好
因科鎳(Inconel)合金好
304L不銹鋼因科鎳(Inconel)合金好
440不銹鋼 440不銹鋼好
17-4PH不銹鋼好
蒙乃爾(Monel)合金 K-蒙乃爾(Monel)合金好
司太萊（Stellite）合金司太萊(Stellite)合金極好
因科鎳(Inconel)合金極好
因科乃爾(Inconel)合金鉻硼系合金極好
杜里默特（Hastelloy）B 卡爾彭特爾(Carpenter)20 好
哈氏合金(Hastelloy)B 哈氏合金(Hastelloy)B 好

●用于推薦的溫度極限及合適的負(fù)載和硬度,。
●在滑動(dòng)接觸時(shí),，300系列不銹鋼自身配對(duì)使用時(shí)，極易產(chǎn)生塑變和擦傷,，但閥芯,、閥座間的密封除外。

六,、氣蝕和閃蒸
在液體工況下,，計(jì)算一個(gè)最大允許壓力降 ΔPmax, 那么閥門上的壓差（P1-P2）大于ΔPmax,那么就會(huì)產(chǎn)生閃蒸或氣蝕，也會(huì)引起對(duì)于閥門或相鄰管道的結(jié)構(gòu)上的損壞,，并增加了閥門的振動(dòng),，而產(chǎn)生無(wú)法忍受的噪音。因此,，應(yīng)特別注意該閥門的設(shè)計(jì),。一般應(yīng)通過(guò)如下方法予以考慮：
●盡可能在閥后增加多層籠，以使得閥后的壓力逐級(jí)降壓,；
●改變閥體及閥內(nèi)件的材料,；
●增加閥門的流通面積，減小流速,。

結(jié)束語(yǔ)
高溫高壓差情況下,，閥門的設(shè)計(jì)比較困難，主要因?yàn)榇蠖鄶?shù)閥門生產(chǎn)廠沒(méi)有高溫檢測(cè)設(shè)備,，高壓差閥門的產(chǎn)生也需要大量的時(shí)間和實(shí)驗(yàn)費(fèi)用,，無(wú)法驗(yàn)證閥門的設(shè)計(jì)。因此,，閥門設(shè)計(jì)人員應(yīng)充分了解閥門原理,，以設(shè)計(jì)出合理的結(jié)構(gòu)，選擇正確的材料,，本文提供的觀點(diǎn)和數(shù)據(jù)可供設(shè)計(jì)時(shí)參考,。

作者: bluesky99899 時(shí)間: 2011-6-8 10:15
竟然沒(méi)有人看啊

作者: binghu19 時(shí)間: 2013-9-24 20:09
非常好的資料總結(jié)，學(xué)習(xí)了，謝謝樓主碼了這么多字與我們分享

作者: bstronger 時(shí)間: 2013-10-5 21:39
學(xué)習(xí)了,。不過(guò)表示我是新手,，有些內(nèi)容還是看不懂呀。樓主,。,。話說(shuō)下次文章寫少一點(diǎn)唄
樓主,。你是做閥門設(shè)計(jì)的嗎

作者: qq281696675 時(shí)間: 2013-10-8 21:44
太專業(yè)了,。都不知道國(guó)內(nèi)廠家有幾個(gè)能吃透。

作者: lucykoukou 時(shí)間: 2013-10-30 14:08
ASME B16.34 中奧氏體不銹鋼316只有當(dāng)含碳量超過(guò)0.04%時(shí),，才能使用于538℃以上的環(huán)境,。好像不是0.4%吧

我感覺(jué)這段文字更像教科書或者設(shè)計(jì)手冊(cè)上的，實(shí)際設(shè)計(jì)的時(shí)候,，有多少企業(yè)是真正經(jīng)過(guò)一系列詳細(xì)計(jì)算的呢,？

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