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控制閥是過程控制工業(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,。
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一、閥門材料的選擇: \6 K6 r, U- e, T9 S* `, J) g8 D
1,、金屬材料
1 P% H# O5 a: |- ~ w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�,，而�?duì)于奧氏體不銹鋼只有當(dāng)含碳量超過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。
! i" J4 Q! x2 f- A, { }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)到或超過熱處理溫度時(shí)，閥內(nèi)件會(huì)產(chǎn)生退火,，硬度降低等問題,，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,。
+ W( C1 f/ c4 J# F$ Y/ D2 o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。一般來說,，常溫下,，當(dāng)壓差超過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,。
5 T8 E$ I2 p! q7 H F高壓差、高流速會(huì)帶來嚴(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。 \( p4 x9 d5 J. O7 p5 p
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,。
# F7 U( m) u! j- q0 J) N8 j/ W2,、非金屬材料
+ ^4 a o0 H$ n! f; t一般的非金屬材料無法承受高溫（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,。
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二、閥門零部件的結(jié)構(gòu)和導(dǎo)熱系數(shù)的選擇4 o* y8 N- B: X& U9 A. h+ R
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)。 E. L- p6 ^" ^% ^) b
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的附加載荷造成的破壞,。
9 Q/ e7 w- i3 Z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,。
7 o+ |% G% S$ ?5 Y! t4 F填料函結(jié)構(gòu)和使用溫度之間的關(guān)系：
: w5 k/ p* h4 g8 g0 g1 F250℃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。 0 {5 D9 n ?/ f i% P
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,。+ ?+ H& A1 g$ t: H# Y
5 O% B; Y+ \0 ~. m) }9 \三,、高溫高壓差周期性變化工況下密封結(jié)構(gòu)
3 I( a: G- [) N5 u' r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,。0 A: z f. p; ?# \/ i" X
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，來選用合理的數(shù)值,。8 }; b3 g q9 G3 u0 B
# f+ c9 I$ r. P" g( B. J' f! A1 v4 F5 Z四,、高溫情況下，材料硬度的變化
' K% Y9 w5 V8 d! r% t+ N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,。
9 [& `( p3 i' y2 t% X- E2 k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,。/ N2 O- |* C- H' `+ ]
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五,、材料的塑變& _2 K$ o j% j. r* M
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：
, n5 v, X6 K# ~7 i1 [; M- R卡住閥門；
0 P2 W( y& [( z: q' V$ N損壞密封面,；! i6 _8 Q* p, ?. `2 @
增加摩擦力,，引起閥芯定位不準(zhǔn)。3 d7 y# q9 K( _! a) T0 d7 f
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。
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表3 下列金屬配對(duì)具有低塑變趨勢(shì)
}& W' K$ R1 ]4 \2 N閥芯 導(dǎo)向襯套 性能" A2 n" K! W5 N
316不銹鋼 17-4PH不銹鋼 好% a9 H# T3 @7 W
400系列不銹鋼 好+ Q! N% {$ K8 o7 s3 o
司太萊（Stellite）硬質(zhì)合金 好; d/ \ s3 U& E1 H7 C
鉻硼系合金 好
! x# d6 M( I& {, h& R, f* U7 B 因科鎳(Inconel)合金 好3 c" L: ~. d) k2 P
304L不銹鋼 因科鎳(Inconel)合金 好
( u* q5 S! I2 s1 e2 z6 m440不銹鋼 440不銹鋼 好
$ g! P1 ]7 }+ `8 s, a 17-4PH不銹鋼 好0 t& @+ X$ P* x5 F' z- c
蒙乃爾(Monel)合金 K-蒙乃爾(Monel)合金 好) I4 w6 K0 C' g# C8 l+ P9 m) R
司太萊（Stellite）合金 司太萊(Stellite)合金 極好
0 V: N _" A% M2 ?7 o5 U 因科鎳(Inconel)合金 極好1 D# C) Y% I3 Z1 Q! ]
因科乃爾(Inconel)合金 鉻硼系合金 極好9 M o, `# T+ F# w& e! L9 j7 j/ g1 X
杜里默特（Hastelloy）B 卡爾彭特爾(Carpenter)20 好
: C0 j/ s9 Y- }9 T( U% }哈氏合金(Hastelloy)B 哈氏合金(Hastelloy)B 好
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8 Q8 [4 J1 H- I●用于推薦的溫度極限及合適的負(fù)載和硬度,。+ G1 E/ L0 @7 F. Z7 ?1 A" S9 @
●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,。
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六、氣蝕和閃蒸/ e, ^& m. {* O' O6 m3 A' A
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)通過如下方法予以考慮：6 Q( W3 d5 |$ t# E Q) K$ j
●盡可能在閥后增加多層籠,，以使得閥后的壓力逐級(jí)降壓；$ u8 a) Q% ]- w) O
●改變閥體及閥內(nèi)件的材料,；8 ~! ^, w. ~4 l3 M
●增加閥門的流通面積,，減小流速。
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$ v* D. O: T% W4 A" ^0 v結(jié)束語(yǔ)
5 z9 U, ?4 T$ t6 g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,。 |
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發(fā)表于 2008-3-22 14:53:02
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