高溫調(diào)節(jié)閥制造中應(yīng)注意的幾個問題

孫德貴

摘 要：控制閥部件制造過程中應(yīng)注意的方面有很多，包括侵蝕、粘合磨損、閃蒸、氣蝕、腐蝕、極端溫度等。其中幾個挑戰(zhàn)通常同時發(fā)生，因此識別和理解每個問題非常重要。

關(guān)鍵詞：工業(yè)制造;調(diào)節(jié)閥

一、材料機械性能問題

在調(diào)節(jié)閥所工作的高溫環(huán)境中，其構(gòu)成材料的性能會因為高溫環(huán)境而發(fā)生顯著的改變，這種改變主要體現(xiàn)在兩個方面，一方面是調(diào)節(jié)閥構(gòu)成材料的強度會變?nèi)?，另一方面是調(diào)節(jié)閥內(nèi)的金屬材料會在高溫環(huán)境里發(fā)生變形。與此同時，高溫環(huán)境也會改變調(diào)節(jié)閥構(gòu)成材料的硬度，進而會對密封面產(chǎn)生影響，這對調(diào)節(jié)閥的正常運行會產(chǎn)生嚴重影響。強度（或硬度）是衡量材料如何抵抗切割，刮擦或彎曲的指標(biāo)。耐磨性表示材料吸收能量和避免斷裂或損壞的程度。熱膨脹性和耐腐蝕性是不言自明的，但'蠕變'的概念不太常見?？谷渥冃允且环N固體材料在暴露于高溫下時避免在長時間應(yīng)力下緩慢變形的能力。若在調(diào)節(jié)閥的工作過程中，環(huán)境溫度超過了450°C，那么在制造調(diào)節(jié)閥時還需要關(guān)注所用的材料是否會在這種環(huán)境中發(fā)生蠕變和斷裂。查閱資料可知，在450°C的高溫環(huán)境下，調(diào)節(jié)閥內(nèi)部零件除了會產(chǎn)生彈性形變，有時還會出現(xiàn)不可逆的蠕變。并且即使應(yīng)力低于相應(yīng)溫度條件下材料的屈服極限，零件也同樣會不可避免的產(chǎn)生上述形變。根據(jù)現(xiàn)有文獻研究可知，在溫度條件一定的情況下，蠕變速度與應(yīng)力值呈正相關(guān);那么在應(yīng)力條件一致的情況下，蠕變速度與溫度呈正相關(guān)。綜上所述，零件材料一樣的情況下，蠕變速度為應(yīng)力和溫度的函數(shù)。根據(jù)調(diào)節(jié)閥生產(chǎn)過程可知，溫度的控制是通過管路系統(tǒng)參數(shù)決定的，所以常常碰到的問題是如何確定許用應(yīng)力。倘若在制造調(diào)節(jié)閥時以不發(fā)生蠕變?yōu)槟繕?biāo)，那么會導(dǎo)致最終生產(chǎn)的零件重且不經(jīng)濟，所以在掌握材料的蠕變速度的基礎(chǔ)上，要選擇一個應(yīng)力，使得調(diào)節(jié)閥在正常使用壽命下，總的蠕變不致于發(fā)生斷裂或不致于因變形妨礙運動件相互間的運動。應(yīng)力水平的選擇是以保證在使用壽命期內(nèi)，材料的蠕變不致影響調(diào)節(jié)閥的使用功能為基本條件的。在選擇調(diào)節(jié)閥制造材料時又要考慮其耐腐蝕性，當(dāng)在強腐蝕介質(zhì)條件下，一般的鑄鐵或鑄鋼閥體就不能勝任，此時就要選以不銹鋼為代表的耐腐蝕材料作閥體，需要指出的是：通常不銹鋼是在碳鋼的基礎(chǔ)上加入了大量的鉻、鎳元素，鋼的價格就高許多，選用時要慎重。其次，一種不銹鋼不是可以適應(yīng)一切腐蝕介質(zhì)的，要根據(jù)抗腐蝕材料手冊仔細斟酌，例如：18-8不銹鋼，亦稱奧氏體不銹鋼，在許多腐蝕介質(zhì)中都有良好的抗腐蝕表現(xiàn)，然而卻不耐氯氣（濕）腐蝕。這就使得材料的選擇范圍有很大的局限。同時了解特定金屬如何防止腐蝕也很重要。一些材料通過形成抵抗持續(xù)攻擊的保護性氧化層來被動耐腐蝕性。例如不銹鋼（SST），C-276哈氏合金 C 和鈦。這些材料往往在氧化環(huán)境中工作良好，但在侵蝕氧化層的還原環(huán)境中效果不佳。另有其他惰性材料，在許多環(huán)境中不易反應(yīng)，或者不那么強烈地依賴氧化層進行保護。這些材料的例子包括蒙乃爾合金，金和哈氏合金 B-3。當(dāng)面對困難的閥門應(yīng)用時，重要的是要仔細和全面地評估情況，以確切地了解哪些問題在起作用。通常，針對物理過程（侵蝕，氣蝕等）以及一個或多個腐蝕過程的組合，需要對整個情況進行全面了解才能完全解決問題。一旦掌握了這些信息，就可以與控制閥材料供應(yīng)商合作，選擇閥門設(shè)計和組件結(jié)構(gòu)材料的最佳組合，以提供可靠、長期的服務(wù)。

二、熱脹量的差別問題

由于氣體具有可壓縮性，在壓力降低的過程中會發(fā)生絕熱膨脹，使通過調(diào)節(jié)閥的氣體密度小于閥前氣體的密度，引起流量變化。所以調(diào)節(jié)閥用于氣體時的流量方程應(yīng)根據(jù)壓縮系數(shù)進行修正，即

其中ε為氣體的壓縮系數(shù)，它與介質(zhì)的壓縮比及物理特性有關(guān)，其值可由試驗確定。氣體介質(zhì)的C值可采用下面公式進行計算，即

式中 q'v——體積流量，m3/h;

ρ——閥前氣體標(biāo)準密度，kg/m3;

p?——閥前氣體壓力，Pa;

T——介質(zhì)的絕對溫度;

Δp——閥前后差壓，當(dāng)超過臨界壓縮比時，Δp應(yīng)取臨界差壓。

導(dǎo)致熱脹量差別的原因主要有材料熱脹系數(shù)、零件承受熱載的差別和零件所處約束條件的差別，這些差別在高溫調(diào)節(jié)閥制造中應(yīng)仔細考慮。當(dāng)熱態(tài)流體進人一個冷態(tài)調(diào)節(jié)閥時，閥芯被熱態(tài)流體所包圍，而閥芯的散熱僅靠與其相連接的具有較小橫截面的閥桿，因此，閥芯能很快地達到管線流體的溫度。閥座幾乎是與閥芯同時加熱的，因閥座的散熱條件優(yōu)于閥芯且閥體的線脹量常常小于閥座的徑向膨賬（其它零件也有類似的情況），因此，用于高溫介質(zhì)下的調(diào)節(jié)閥零件間的工作間隙應(yīng)增大，這樣在實際工作溫度下，防止了擦傷和卡死。間隙的增加量是由材料的線膨賬系數(shù)、使用溫度、應(yīng)力等條件決定的。當(dāng)然對于某些調(diào)節(jié)閥來說（如柱塞閥）、隨著間隙的增加，使得調(diào)節(jié)閥的有效使用溫域變小，在室溫或低溫條件下會出現(xiàn)泄漏。

三、環(huán)境中的擦傷問題

控制閥部件退化的原因有很多，包括侵蝕、粘合磨損、閃蒸、氣蝕、腐蝕、極端溫度等。其中幾個挑戰(zhàn)通常同時發(fā)生，因此識別和理解每個問題非常重要。侵蝕是由于工藝流體中的顆粒物導(dǎo)致從零件中物理去除材料。這種效應(yīng)在攜帶磨料顆粒的漿料或液體中很常見，通常通過使用硬質(zhì)材料或高強度涂層來抵消。盡管名稱具有誤導(dǎo)性，但粘合磨損與腐蝕性膠水無關(guān)，而是金屬相互摩擦?xí)r產(chǎn)生的。對于必須長時間連續(xù)運行的高循環(huán)閥門來說，這可能特別麻煩。解決這個問題的關(guān)鍵是選擇正確的材料組合，這樣它們就不會相互損壞。不同的材料有不同的易磨損傾向（粘合磨損的另一個名稱）但有一些通用的指導(dǎo)原則。兩種軟質(zhì)材料的接觸往往會產(chǎn)生磨損，但硬質(zhì)材料與相對較軟的材料配對會持續(xù)更長時間。特定應(yīng)用的最佳材料取決于該組件在閥門中的使用方式，這就是為什么不同的閥門組件通常由不同的材料制成的原因。

參考文獻：

[1]馮萬平.高溫軸流式調(diào)節(jié)閥的研制及結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析[D].蘭州理工大學(xué).2021

[2]何慶中，劉佳，陳雪峰，劉惺，徐紅財，童思敏.熱力學(xué)效應(yīng)對高溫高壓調(diào)節(jié)閥空化的影響[J].浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)報.2020（03）：350-354