摘要：本文首先阐述了制约高温阀门设计的因素，接着分析了高温阀门材料的选择，最后对高温阀门的设计及关键技术进行了探讨。
关键词：高温；阀门设计；技术
引言：
在一般资料中将阀门工作温度 t＞450℃的阀门称为高温阀门。高温阀门的种类相对较多，比较常见的有高温球形阀、高温蝶阀、高温球阀、高温过滤器、高温闸阀等等。广泛应用于发电、炼油、石化、钢铁等领域中。
1 制约高温阀门设计的因素
1.1 不同材质热膨胀量的影响
不同材料的热膨胀系数以及零件承受热载的差别等条件是直接导致热涨量差别的主要因素。因此，在进行高温阀门设计过程中，应当将这些因素的影响都充分考虑在内。比如，为了使得阀体、阀芯的温度尽快与管线流体的温度相一致，可以通过添加外部隔热材料对阀门进行保温；在开始运行之前，将热态高温流体导入温度较低的阀门外部，进行伴热，使得阀体得以加热到介质温度，同时横截面积较小的阀芯也加热到相接近的温度。由于阀芯各零件散热条件有所不同，其膨胀量也有差别，虽然是同时加热，但是最后的膨胀量等性能也有可能不同。因此，在确定阀门零件间的工作间隙时，应当考虑其设计的功能性，适当增大间隙范围，以保证在高温介质的情况下，避免零件之间出现卡死或是擦伤的现象，有效地减少零件因为不同的膨胀差造成的损伤。但是间隙的增加量也一定要适中，应当依据材料的热膨胀系数、实际使用温度，允许泄漏量、以及应力等因素来确定。
1.2 热交变
热交变工况会对阀门的运行和零件的功能产生很大影响，比如阀座和阀体的接触面，当介质的热交变发生时，有可能导致接触面变形、松动，当密封力发生变化不能维持足够的密封力时，可能会导致失去需要的密封功能。因此在进行设计的时候，需要考虑阀座结构还有其相应的接头连接、密封形式，进行严谨的设计计算，纳入热交变导致的零件温度差，保证在热交变发生时，它的密封效果、密封功能不出现损坏。这样才可以在源头上降低热交变对高温阀门的影响，避免零件的消耗，从而增加高温阀门的使用寿命。
1.3应用现场工况
阀门的操作频率越高，磨损会更加严重，导致阀门的关闭能力变差。常开的阀门一般都需要考虑运行过程中对密封面的隔离作用，来很好的保障自身关闭的效果。反之，如果是常关的阀门，那么操作频率可能非常低，有可能会造成阀门锈蚀，结果是开启的力可能会变的很大。
很少的阀门能够在很长一段时间都保持很好的密封性能，如果一台阀门用于气体介质或者包含固体颗粒的介质，那么其保持紧密密封的时间还会缩短。在管道系统中，决定是否需要比较高的密封性能是由客户工况来决定的。
开关阀往往不需要非常高的密封等级，但是调节阀则常常需要考虑设计较高的密封等级。
2高温阀门材料的选择
2.1 阀体材料的选择
高温工况和介质的腐蚀性都会对材料的选择产生影响，对于使用环境处于高温环境的阀门，应当选择质量较好的碳钢、耐高温合金钢、或者不锈钢等作为阀体的材料，也只有这样才能保证阀体在高温状态下仍然能够正常使用。
2.2 阀内件材料的选择
热膨胀系数应当被首先考虑，然后结合高温状况下运动部件的抗擦伤能力，二者结合实现对于阀内件材料的选择。阀内件材料要选择热膨胀系数相近的材料，以便抵抗温度变化带来的尺寸变化。同时还要选择硬度较高的材质，以便提高抗磨损性能，以及抗气蚀性能。阀内件材料的选择一定要结合实际的情况，选择出适合使用，满足相关要求的材料。
3 高温阀门的设计分析
3.1 壳体壁厚设计
在对高温阀门壳体的设计过程中，需要设计人员充分考虑到阀门在实际运用过程中各个温度下所承受的最大压力值，并将各温度下的最大值设计成壳体的耐压额定值，从而保证壳体设计的安全性，科学性和合理性。
3.2密封设计技术要点
良好的密封是高温阀门应当具备的一个基本性能，若是阀门出现微量的泄漏，高温、高压、流动的介质可能会对阀门密封面造成破坏，从而导致阀门密封失效。为满足高温阀门对密封性能的要求，可以使用双重密封结构的设计思路，这种结构即使一对密封副失效，另一对密封副仍然可以使阀门保持良好的密封性能。
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3.2.1密封副的选择
为确保密封副的耐磨性，其材质可选用耐高温、高硬度的合金钢，并对其进行渗碳耐磨硬化处理。同时为进一步提升阀芯与阀座密封面的耐磨性，可在阀芯阀座机加工成型之前，在其上焊接一层高硬度耐磨金属。
3.2.2密封力的设计
这是高温阀门中的关键设计之一，其高温性能的稳定性与阀门的密封性能有着非常密切的关系。若是密封力在高温条件下出现应力松弛，则会导致阀门泄漏，严重会引起阀门失效。所以用于提供高温阀门密封力的螺栓、弹性元件必须具备良好的高温稳定性。可选择高温性能较为优异的合金钢作为螺栓螺母的材料，石墨金属缠绕垫片作为弹性材料、试验结果显示，这些材料的耐热温度能够达到 500℃以上。
3.2.3密封面宽度
在高温阀门的设计中，阀门密封面宽度的确定是重点环节，其直接关系到阀门的使用寿命和结构尺寸。从确保阀门密封的可靠性及延长其使用寿命的角度出发，密封面的宽度取值应当使密封力在该宽度的密封面上所形成的密封比压满足密封比压的判别条件。
3.3阀盖密封结构设计
在对高温阀门阀盖密封结构进行设计的过程中，可以分为以下两部分内容：强制密封和压力密封。
3.3.1 强制密封
强制密封结构设计的原理是：对法兰螺栓进行拧紧，让密封垫片产生一个压力，并且对预紧垫片产生压缩性的作用，然后密封结构中表面的缝隙就会被填满。
3.3.2 压力密封
压力密封结构主要由以下部分组成：阀体、浮动阀盖、密封环、密封垫、四开环、支承环、牵制螺栓。在其进行升压操纵之前，需要操作人员对螺栓进行拧紧作业，并将浮动盖上移，从而保证阀盖同弹性楔形垫之间形成预密封力。当对密封件进行加压时，压力推着阀盖会有向上的趋势，此时，阀盖和楔形密封垫之间的密封比压会随着压力的增加而增加，从而达到预期密封效果。
3.4耐高温螺栓的设计
因为螺栓需要在高温环境下工作，因此应该考虑几个主要的问题：螺栓材料的强度，设计的螺栓尺寸大小、数量，高温下螺栓性能的改变，是否松弛等等。针对以上问题，设计过程中要特别注意：第一，避免旋合的螺纹在高温环境下出现咬死的情况。第二，除了进行科学合理的选材，还应该将螺纹设计为粗牙螺纹，在适当的范围内加强半径的间隙。第三，钢螺栓一旦长期处于高温状态，可能会发生蠕变，会发生预紧力松弛的情况。因此一定要保证剩余的预紧力要高出需求值，确保联接的稳固性。
4阀门设计中的几个关键技术
4.1耐高温材质的选择
在对高温阀门进行设计的过程中，耐高温材质的选择极为重要。要选择耐高温的阀体、阀盖材质，合适的壁厚，合适的机构设计，确保所选择的阀体承压边界安全。还应该通过严谨的设计计算，选择热膨胀系数相互匹配的材质作为阀芯，以确保在设计温度下，阀芯强度足够，动作顺畅，且耐磨，寿命长。设计中一般需要避免阀芯、阀笼同种材质，原因是，在高温下，同种金属原子性能接近，在摩擦过程中的高温高压可能会导致两个不同零件之间的金属原子互相扩散，重组，宏观表现为拉毛、粘结、卡涩、甚至卡死的现象。
4.2径向、轴向热膨胀计算
在对高温阀门进行设计的过程中，径向热膨胀计算一般是为了避免卡死，同时考虑减少密封面的泄漏量。轴向热膨胀计算一般是为了避免泄露。这计算过程中，除了要计算校验工作温度范围极值的工况，还要考虑热交变，以及温度梯度对阀门内件的影响，确保各个温度下的密封效果，和各个温度下的结构强度。如此，高温阀门才能在设计温度区间内，良好运行，且有较好的设计寿命。
结束语
综上所述，在工业与民用的范围之中，高温阀门的运用十分宽泛，因此，在具体的设计之中，要积极的探究高温阀门技术要注意的问题，大范围的促进该技术的进一步发展，逐步的扩大高温阀门的运用范围，从根本之上来进一步的提升高温阀门自身的使用寿命。因此，本文的研究也就显得十分的有意义。
参考文献：
[1]杨源泉. 阀门设计手册[M].机械工业出版社.1995（05）
[2]崔丽，黄云浩，田德永. 高温阀门的设计与材料选择[J].山东工业技术.2017（06）
[3]李东. 高温阀门设计的有关技术[J].黑龙江科学.2016（02）
论文作者:刘珂
论文发表刊物:《基层建设》2019年第22期
论文发表时间:2019/11/6
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