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上海陆贡阀业有限公司
阀门知识

高温气动阀门的材料选择与设计

2020-05-19

气动阀门


高温气动阀门概述

近几十年来,随着现代科学技术的发展,工程项目中对高温气动阀门的需求越来越多,高温气动阀门在石化、化工、电力等行业均有应用。由于高温的长时间作用会对金属材料造成物理性能以及机械性能等方面的影响,在对高温气动阀门进行设计和选材时,需重点关注高温对相关因素的影响。

高温气动阀门的分级

在一般资料中将气动阀门工作温度t>450℃的称为高温气动阀门,而对高温气动阀门高温等级的划分,目前尚无统一的标准。根据几十年生产高温气动阀门的经验将高温等级划分为五级。即气动阀门工作温度t>425~550℃为PI级,工作温度t>550~650℃为PII级,工作温度t>650~730℃为PIII级,工作温度t>730~816℃为PIV级,工作温度t>816℃为PV级。其中,PI~PIV级高温气动阀门主要靠选择合适的材料以保证其性能,PV级高温气动阀门除材料选择外更重要的是采用特殊的设计手段,如衬隔热衬里或采取冷却措施。

高温气动阀门的材料选择

①阀体材料

为保证阀体能够禁受住高温高压的考验,不会发生物理性能以及机械性能的相关变化,所以应做好阀体材料的选择,以下几种钢材是常用的阀体材料:(1)优质碳素钢;(2)不锈钢;(3)耐高温合金钢。

②阀内件材料

进行阀内件材料选择时,应将材料所具有的热膨胀性质作为重点考虑对象,除此之外,还应该考虑高温条件下,运动部件的擦伤几率问题。阀内件母体材料通常使用316不锈钢制作而成,并在其表面进行钨铬钴硬质合金的堆焊,又或者陶瓷的喷焊,从而尽量保证阀内件的耐磨损性能以及气蚀性能。

③高温气动阀门内件的硬化处理

应保证高温气动阀门内件在以下各个方面满足标准:(1)硬度;(2)冲击强度;(3)耐冲刷能力;(4)耐气蚀能力;(5)表面耐擦伤能力,在高温的长时间作用下,材料将会发生退火或者软化的问题,如此一来,便大幅提升了高温气动阀门内件表面的擦伤几率。在高温气动阀门内件表面进行钨铬钴硬质合金的堆焊,又或者陶瓷的喷焊,从而尽量保证其表面的实际硬度以及耐磨性,使其在800℃的高温以下均能正常工作。

高温气动阀门的设计

①壳体壁厚设计

进行壳体设计的过程中,应充分考虑实际应用环节可能出现的zui大压力值,并将其设计为壳体的耐压额定值,从而保证壳体具有足够的耐压能力,进而将腐蚀以及侵蚀的不利影响降至zui低水平。

②中部密封结构设计

对密封结构进行分析,可将其设计归结为两大类:(1)强制密封;(2)伍德密封。

强制密封这种结构形式其原理是对中法兰螺栓进行拧紧操作,使其对密封垫片施加一个相应的压力,进而对预紧垫片产生一个压缩作用,接下来密封面上的诸多凹凸错落的微小缝隙将会被有效填满。在中温、中压以及中小口径系列的气动阀门中,强制密封较为常见。

伍德密封这种结构形式主要由以下部分组成:(1)阀体;(2)浮动阀盖;(3)密封环;(4)密封垫;(5)四开环;(6)支承环;(7)牵制螺栓。在进行升压操作之前,首先对牵制螺栓进行拧紧操作,使浮动盖发生上移,从而使阀盖(还有阀体)和弹性楔形垫二者之间形成一个旋紧密封力。当介质对其施加压力时,阀盖将形成向上移动趋势,此时牵制螺栓将进行卸载,阀盖(还有阀体)和楔形密封垫二者之间的密封比压将会随着压力的上升而不断增加,zui终获得良好的密封性。对密封面上工作密封比压造成影响的因素主要包括两个,一方面时预紧密封比压,另一方面时由介质压力产生的比压。当介质压力逐渐升高,那么工作密封比压也将随之不断增大,即密封性能越是理想。

③密封副设计

在阀体(还有浮动阀)和密封环相接触的地方,可采用堆焊硬质合金(又或者堆焊18-8型奥氏体不锈钢)的办法,来实现对密封结构硬性的提高。

对密封环进行设计时,可将其设计成外圆柱面的样式,并在其上留置1~2条环状的沟槽,同时保证内堆面角度为26°,通常使用纯铁材料(也可使用不锈耐酸钢材料)制作而成,将浮动阀盖堆面角度设计为28°,并使二者的接触形式为线接触,如此一来,便可实现密封的零泄漏效果。在基于正常工作的条件下,密封环的表面硬度zui好小于阀体与阀盖密封接触位置的硬度,一方面满足了塑性变形的要求,另一方面满足了强度的要求。

闸板(又可称为阀瓣)和阀座密封面zui好进行司太立的堆焊处理,从而保证密封表面强度,进行提高其表面的抗擦伤能力。

对填料部位进行密封操作时,**采用柔性石墨夹柯镍尔钢丝以适当增强填料,并将其设计成一种动负载结构。

④上密封结构的设计

上密封结构的出来通常有两种形式,一是整体堆焊,二是分体上密封座螺纹连接。如果采用第二种处理形式,受上密封座和阀盖二者材料不同的影响(即高温状态下,二者材料具有不一样的热膨胀系数),螺纹特别容易出现松动的问题,给高温气动阀门的正常使用带来不利的影响。所以通常情况下,采用点焊的做法将上密封座焊接在阀盖上。

高温气动阀门的应用日趋深入和广泛,且发挥着十分重要的作用,在进行高温气动阀门设计时,一方面要保证材料符合要求,另一方面报保证结构设计的合理性,只有如此,才能保证高温气动阀门具有良好的密封性能,而且质量可靠,同时具有较长的使用寿命。

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