温工况下阀门设计注意事项
摘要：本文阐述了温工况下阀门设计时，材料选用、结构设计等注意事项。
关键词：温、蠕变、热膨胀、硬度、塑变和擦伤。 阀门（包括控制阀和阀）在过程控制和管线中的作用非常重要，而温工况下的阀门和常温工况下使用的阀门又有很大的不同，因此，设计温工况下使用的阀门时，应注意以下几点：
温工况下，阀门设计注意事项主要包括：材料的强度，蠕变，热膨胀率，抗氧化性，抗磨损、抗擦伤性能和热处理温度。零、部件间的间隙，热循环对阀门密封，阀座垫片密封及导向套松动的影响。
一、温工况下、阀门材料选用注意事项
温工况下、阀门在Z工作温度和Z极限温度下确定材料时，应注意所选材料以下几个方面的性能：
a、 抗拉强度
b、 屈服极限
c、 蠕变和断裂〔温度≥800℉（427℃）〕
d、 温硬度
e、 冲击强度
f、 温时效
在温条件下，材料屈服限，抗拉、抗压强度降低。当温度在800℉（427℃）以上时，蠕变和断裂应成为考虑材料破坏的主要因素。温下使用时，阀内件在负荷的作用下开始产生弹性变形，然后随时间的延长继续变形或产生蠕变。这时候材料产生塑性变形的应力，要比给定温度下的屈服应力小。因此，在设计中，将应力取低一些，可避免发生蠕变或减小蠕变，但这样会造成零件重量体积过大又不经济。所以，设计者要知道在温下材料的蠕变率，选取合适的应力，使材料总的蠕变在正常使用寿命范围内不扩展成断裂或允许其产生小变形而不影响可动零件的正常使用。
温情况下，为避免阀芯、阀座表面擦伤和损坏，还要考虑材料的热硬度，防止金属硬度变化。还要考虑温时效对材料物理性能的影响，例如：韧性、晶粒的变化，当使用温度达到或超过热处理温度时，会造成阀芯、阀座产生退火、硬度降低等问题，为防止材料硬度发生变化，Z温度极限的选择必须在一个安全的范围内。
温下材料的抗氧化能力，也是一个非常重要参数，在温度循环变化中，所选用的材料应不会发生材料表面重复氧化，产生氧化皮等问题。
一般情况下，不锈钢系、硬质合金系及特种合金系的材料有较的温稳定性，可根据不同的温工况，选用合适的材料。
常用阀内件材料的使用温度和硬度见表1
表1 阀内件常用材料的使用温度和硬度
材 料 | 下限：℃（℉） | 上限：℃（℉） | 使用硬度 |
304、316型不锈钢 | －268（－450） | 316（600） | ZHRC14 |
因科镍（Inconel）合金 | －240（－400） | 649（1200） | HRC35～37（1200℉时） |
K-蒙乃尔（Monel）合金 | －240（－400） | 482（900） | HRC27～35 |
蒙乃尔（Monel）合金 | HRC30～38 HRC35（1200℉时） |
哈氏合金（Hasloy）B | / | 371（700） | HRC14 |
哈氏合金（Hasloy）C | / | 538（1000） | HRC23 |
钛合金 | －196（－320） | 316（600） | HRC28～35（70℉时） |
杜里默特（Durimet）20（铸件） | －46（－50） | 316（600） | / |
杜里默特（Durimet）20（锻件） | －253（－425） | 427（800） | / |
司太立（Slite）6# | －273（－460） | 649（1200） | HRC40～45（70℉时） HRC38 （1200℉时） |
铬化硼6# | －101（－150） | 649（1200） | HRC56～61（70℉时） HRC44（1200℉时） |
416型不锈钢 | －29（－20） | 427（800） | HRC37～42 |
440型不锈钢 | －29（－20） | 427（800） | HRC50～60 |
17－4PH不锈钢 | －40（－40） | 427（800） | HRC40～45 |
化学镀镍 | －268（－450） | 427（800） | HRC16 |
镀铬 | －273（－460） | 316（600） | / |
二、阀门零、部件的间隙和散热
温阀门设计中，必须仔细考虑不同零、部件的热膨胀对阀内件动作的影响。当温流体流过阀门时，由于阀座的质量较小，温度上升很快，阀体的线膨胀系数往往小于阀座的线膨胀系数，所以阀体限制了阀座的径向膨胀，阀座只能向内径膨胀，使得在温下，阀芯、阀座的工作间隙，小于常温下标准阀门设计的间隙，造成阀内件卡死。阀芯导向杆与导向套也会产生同样的现象。因此，阀门在温下使用时，常温下标准阀门的设计间隙（包括阀芯、阀座间，导向套、阀杆间）应当适当增加，这样使其在温下工作也不会发生卡死现象。
对泄漏量要求较的场合下阀体和阀座尽量采用相同的合金钢制造，并采用单座或笼式结构，尽量避免采用双座阀结构，并在密封面进行硬化处理，以免在温下，阀门泄漏量大幅度增加。
设计在温介质场合使用的阀门，还应考虑阀体、阀盖及连接件工作在温下，材料承受由于温带来的附加载荷，包括材料热膨胀、蠕变等产生的附加载荷，避免由于附加载荷造成的破坏。
温度的循环变化会使阀座和导向套松动，因此必须采用密封焊和搭接焊来防松，阀座垫片的密封是在密封力大于垫片的屈服极限才能够获得，而在温、压及热循环工况下，密封材料发生蠕变而产生渗漏，可采用整体阀座，由阀体上直接制成阀座并使之硬化，对于大口径阀门，采用在阀体上焊接阀座的方法，去除垫片，避免不必要的泄漏。
根据介质的温度低，还要考虑填料函中填料可承受的温度及执行机构可承受的温度。
阀内件、填料函结构和使用温度之间的关系
450℉（232℃）以上，上阀盖延伸，用较长的阀盖阀杆散热片保持填料密封。
600℉（316℃）以上，间隙加大阀芯、阀座密封部分硬化处理。
750℉（399℃）以上，所有螺纹连接的阀座将会泄漏，必须施加密封焊，防止松动。
900℉（428℃）以上，所有导向套、阀芯导向和导向杆须表面硬化处理，导向套搭接焊。
1050℉（566℃）以上，表面硬化，采用整体阀座、导向套。
三、温周期性变化工况下密封结构：
用于温周期性变化的阀座密封面结构如图1。
对于温度周期变化的阀座密封面结构可采用图示柔性阀座唇部结构，该结构用于零件膨胀造成密封线不圆及阀座的磨损有自动对中和补偿作用，在温且温度循环变化的情况下，有良的密封效果。其密封是依靠柔性阀座密封部位的弹性变形实现的。
图1
计算温情况下，材料的密封比压时，应考虑温情况下，其密封材料的强度极限、屈服极限都有所下降，选用合理的数值。
四、温情况下，材料硬度的变化
在温情况下，各种材料的硬度都有不同程度的下降。硬度下降增加了材料塑变和擦伤的可能。
图2是表面硬化材料司太立合金、铬硼合金及部分不锈钢热硬度比较。
图 2
从图2中可以看出，416、440系列不锈钢在温度大于371℃（700℉）时，其硬度下降很快。而6号铬硼系合金及6号司太立合金在温度大于538℃（1000℉）时，其硬度才有所下降。 表2 316型不锈钢温下的机械性能
机械性能 | 21℃（70℉） | 659℃（1200℉） |
强度极限 （klbf/in2） | 85 | 56 |
屈服极限 （klbf/in2） | 38.5 | 20 |
蠕变（100000h或11年中的1﹪）（klbf/in2） | ※ | 6 |
断裂 （100000h）（klbf/in2） | ※ | 12～16 |
※温度低于800℉时，蠕变、断裂无意义。 五、材料的塑变和擦伤
塑变是指一种金属表面被其它材料擦伤，粘结在一起或表面滚成球形。它和温度、材料、表面光洁度、硬度、载荷有关，并受到流体的影响，温会使金属软化或退火，增加其塑便和擦伤趋势。
塑变和擦伤会引起：（1）卡住阀门（2）损坏密封面（3）增加摩擦力，引起阀芯定位不准。
管线流体中，如果夹有较大较硬的颗粒会把阀内件磨得粗糙不平，易产生塑变和擦伤。冲击振动会造成零件承受冲击表面、配合表面的破坏，有时也会引起塑变和擦伤。
液体金属，例如钠、钾，能够去除金属表面的氧化膜，在温度≥204℃（400℉）时，极易产生擦伤且比较严重，应仔细选择材料，避免擦伤的发生。
防止金属表面的塑变和擦伤的方法主要有：
（1） 零件采用硬度较材料制成。
（2） 选用低塑变、低擦伤的配对材料，见表3。
（3） 对于相互配合的两种零件，采用不同的材料制造。
（4） 在选用配合零件的材料时，保证配合零件材料的硬度上有5～10Rc的硬度差。
（5） 确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盖层，保证配合运动面的硬度差。
（6） 确定合理的载荷，根据载荷选用合理的材料及强度。
（7） 设计时，应根据温下不同材料的膨胀系数认真计算膨胀量，从而确定配合零件的尺寸，保证阀内件工作时一个适当的操作间隙。
（8） 在投入使用前，将阀门在低载荷及带润滑下试运行（磨合）。 表3 下列金属配对有低塑变、低擦伤趋势
阀芯 | 导向衬套 | 性能 |
312不锈钢 | 17－4PH不锈钢 | |
400系列不锈钢 | |
司太立（Slite）硬质合金 | |
铬硼系合金 | |
因科镍（Inconel）合金 | |
304L不锈钢 | 因科镍（Inconel）合金 | |
440C不锈钢 | 440C不锈钢 | |
17－4PH不锈钢 | |
工钢 | 17－4PH不锈钢 | |
蒙乃尔（Monel）合金 | K-蒙乃尔（Monel）合金 | |
司太立（Slite）硬质合金 | 司太立（Slite）硬质合金 | 极 |
因科镍（Inconel）合金 | 极 |
铬硼系合金 | 铬硼系合金 | 极 |
杜里默特（Durimet）20 | 卡尔彭特尔（Carpenter）20 | |
哈氏合金（Hasloy）B | 哈氏合金（Hasloy）B | |
注：a、用于推荐的温度极限及合适的负载和硬度。
b、在滑动接触时，300系列不锈钢自身配对使用时，极易产生塑变和擦伤。但阀芯、阀座间的密封除外。
六、总结
温情况下，阀门的设计比较困难，主要因为一般的制造厂没有温检测设备，无法验证设计结果。一般多采用理论计算和实际经验相结合的方法来进行温阀门的设计。本文提供的观点和数据可供设计时加以参考。
