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摘要：近年来，随着现代科学技术的发展，工程项目中对高温阀门的需求越来越多。高温阀门在石化、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，因此在对高温阀门进行设计时，需要重点关注不同高温环境下应用材料的选择及相关设计要点。
关键词：高温阀门；材料选择；设计方法
1.高温阀门概述
阀门是现代工业中一种常见的机械产品，作为流体传输系统中的关键性控制部件，因其具有的截止、调节、稳压、分流等功能，其主要应用于锅炉、蒸汽管道、炼油、化工、火力、冶金以及给排水等领域。在一般资料中将阀门工作温度t＞450℃的阀门称为高温阀门，高温阀门包括高温闸阀、高温截止阀、高温止回阀、高温球阀、高温蝶阀、高温针阀、高温节流阀、高温减压阀等。其中，较常用的为闸阀、截止阀、止回阀、球阀和蝶阀。
2.不同高温环境下高温阀门材料的选择
2.1亚高温
亚高温是指阀门的工作温度在325～425℃区域。如果介质是水和蒸汽时，主要用WCB、WCC、A105、WC6和WC9。如果介质是含硫油品时，主要用具有抗硫化物腐蚀的C5、CF8、CF3、CF8M和CF3M等。它们多用在炼油厂的常减压装置和延迟焦化装置上，此时CF8、CF8M、CF3及CF3M材质的阀门不是用于抗酸溶液腐蚀，而是用于含硫油品及油气管路上。在此工况中，CF8、CF8M、CF3和CF3M的最高工作温度上限为450℃。
2.2高温Ⅰ级
阀门的工作温度为425～550℃时为高温Ⅰ级（简称PI级）。PI级阀门的主体材料为ASTMA351标准中的CF8为基形的“高温Ⅰ级中碳铬镍稀土钛优质耐热钢”。因PI级是特定的称呼，在这里包含了高温不锈钢（P）的概念。因此，如果工作介质为水或蒸汽时，虽然也可用高温钢WC6（t≤540℃）或WC9（t≤570℃），在含硫油品时虽然也可用高温钢C5（ZG1Cr5Mo）。
2.3高温Ⅱ级
阀门的工作温度为550～650℃，定为高温Ⅱ级（简称为PⅡ级）。PⅡ级高温阀门主要用于炼油厂的重油催化裂化装置，它包含用在三旋喷嘴等部位的高温衬里耐磨闸阀。PⅡ级阀门的主体材料为ASTMA351标准中的CF8为基形的“高温Ⅱ级中碳铬镍稀土钛钽强化型耐热钢”。
2.4高温Ⅲ级
阀门的工作温度为650～730℃，定为高温Ⅲ级（简称为PⅢ级）。PⅢ级高温阀门主要是用在炼油厂的大型重油催化裂化装置上。PⅢ级高温阀门主体材料为ASTMA351标准中的CF8M为基形的“高温Ⅲ级中碳铬镍钼稀土钛钽强化型耐热钢”。
2.5高温Ⅳ级
阀门的工作温度为730～816℃，定为高温Ⅳ级（简称为PⅣ级）。将PⅣ级阀门的工作温度上限定为816℃是因为阀门设计选用的标准ASMEB16134压力-温度等级中提供的最高温度为816℃（1500υ）。PⅣ级阀门的主体材料为ASTMA351标准中的CF8M为基形“高温Ⅳ级中碳铬镍钼稀土钛钽强化型耐热钢”。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆CK-20及ASTMA182标准中F310（其中C含量≥01050%）及F310H等耐热不锈钢。
2.6高温Ⅴ级
阀门的工作温度＞816℃以上，简称为PⅤ级PⅤ级高温阀门（作切断用阀门，而非调节型蝶阀类的阀门）必须采用特殊的设计手段，如衬隔热衬里或通水或气冷却等，方能保证阀门的正常工作。在PⅤ级高温阀门中，通常烟道插板阀或蝶阀的插板或蝶板常选用ASTMA297标准中的HK-30，HK-40高温合金，它们能在1150℃以下抗氧化和还原性气体中耐蚀，但不能承受冲击和高压载荷。
3.高温阀门的设计方法
3.1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最大压力值，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最低水平。
3.2中部密封结构设计
密封结构可归结为两大类：一，强制密封；二，伍德密封。
强制密封这种结构形式的原理是，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：一，阀体；二，浮动阀盖；三，密封环；四，密封垫；五，四开环；六，支承环；七，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，最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，一方面是预紧密封比压，另一方面是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。
3.3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260，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280，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，密封环的表面硬度最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（又可称之为阀瓣）和阀座密封面最好进行司太立的堆焊处理，从而保证密封表面强度，进而提高其表面的抗擦伤能力。
对填料部位进行密封操作时，最好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。
3.4上密封结构的设计
上密封结构的处理通常有两种形式，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，给阀门的正常使用带来了不利的影响。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。
结束语：总之，高温阀门的应用日趋深入和广泛，且发挥着十分重要的作用。在进行高温阀门设计时，一方面要保证材料符合要求，另一方面要保证结构设计的合理性，只有如此，才能保证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。
参考文献
[1]王本磊.高温阀门设计的有关技术分析[J].中国机械.2015
[2]王强.高温阀门设计思路及技术要点的分析[J].南方农机.2015.
[3]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.
论文作者:黄明亮
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第1期
论文发表时间:2018/5/8
标签：高温论文; 阀门论文; 耐热钢论文; 材料论文; 工作温度论文; 阀体论文; 介质论文; 《建筑学研究前沿》2018年第1期论文;