高温调节阀制造中应注意的几个问题

孙德贵

摘 要：控制阀部件制造过程中应注意的方面有很多，包括侵蚀、粘合磨损、闪蒸、气蚀、腐蚀、极端温度等。其中几个挑战通常同时发生，因此识别和理解每个问题非常重要。

关键词：工业制造;调节阀

一、材料机械性能问题

在调节阀所工作的高温环境中，其构成材料的性能会因为高温环境而发生显著的改变，这种改变主要体现在两个方面，一方面是调节阀构成材料的强度会变弱，另一方面是调节阀内的金属材料会在高温环境里发生变形。与此同时，高温环境也会改变调节阀构成材料的硬度，进而会对密封面产生影响，这对调节阀的正常运行会产生严重影响。强度（或硬度）是衡量材料如何抵抗切割，刮擦或弯曲的指标。耐磨性表示材料吸收能量和避免断裂或损坏的程度。热膨胀性和耐腐蚀性是不言自明的，但'蠕变'的概念不太常见。抗蠕变性是一种固体材料在暴露于高温下时避免在长时间应力下缓慢变形的能力。若在调节阀的工作过程中，环境温度超过了450°C，那么在制造调节阀时还需要关注所用的材料是否会在这种环境中发生蠕变和断裂。查阅资料可知，在450°C的高温环境下，调节阀内部零件除了会产生弹性形变，有时还会出现不可逆的蠕变。并且即使应力低于相应温度条件下材料的屈服极限，零件也同样会不可避免的产生上述形变。根据现有文献研究可知，在温度条件一定的情况下，蠕变速度与应力值呈正相关;那么在应力条件一致的情况下，蠕变速度与温度呈正相关。综上所述，零件材料一样的情况下，蠕变速度为应力和温度的函数。根据调节阀生产过程可知，温度的控制是通过管路系统参数决定的，所以常常碰到的问题是如何确定许用应力。倘若在制造调节阀时以不发生蠕变为目标，那么会导致最终生产的零件重且不经济，所以在掌握材料的蠕变速度的基础上，要选择一个应力，使得调节阀在正常使用寿命下，总的蠕变不致于发生断裂或不致于因变形妨碍运动件相互间的运动。应力水平的选择是以保证在使用寿命期内，材料的蠕变不致影响调节阀的使用功能为基本条件的。在选择调节阀制造材料时又要考虑其耐腐蚀性，当在强腐蚀介质条件下，一般的铸铁或铸钢阀体就不能胜任，此时就要选以不锈钢为代表的耐腐蚀材料作阀体，需要指出的是：通常不锈钢是在碳钢的基础上加入了大量的铬、镍元素，钢的价格就高许多，选用时要慎重。其次，一种不锈钢不是可以适应一切腐蚀介质的，要根据抗腐蚀材料手册仔细斟酌，例如：18-8不锈钢，亦称奥氏体不锈钢，在许多腐蚀介质中都有良好的抗腐蚀表现，然而却不耐氯气（湿）腐蚀。这就使得材料的选择范围有很大的局限。同时了解特定金属如何防止腐蚀也很重要。一些材料通过形成抵抗持续攻击的保护性氧化层来被动耐腐蚀性。例如不锈钢（SST），C-276哈氏合金 C 和钛。这些材料往往在氧化环境中工作良好，但在侵蚀氧化层的还原环境中效果不佳。另有其他惰性材料，在许多环境中不易反应，或者不那么强烈地依赖氧化层进行保护。这些材料的例子包括蒙乃尔合金，金和哈氏合金 B-3。当面对困难的阀门应用时，重要的是要仔细和全面地评估情况，以确切地了解哪些问题在起作用。通常，针对物理过程（侵蚀，气蚀等）以及一个或多个腐蚀过程的组合，需要对整个情况进行全面了解才能完全解决问题。一旦掌握了这些信息，就可以与控制阀材料供应商合作，选择阀门设计和组件结构材料的最佳组合，以提供可靠、长期的服务。

二、热胀量的差别问题

由于气体具有可压缩性，在压力降低的过程中会发生绝热膨胀，使通过调节阀的气体密度小于阀前气体的密度，引起流量变化。所以调节阀用于气体时的流量方程应根据压缩系数进行修正，即

其中ε为气体的压缩系数，它与介质的压缩比及物理特性有关，其值可由试验确定。气体介质的C值可采用下面公式进行计算，即

式中 q'v——体积流量，m³/h;

ρ——阀前气体标准密度，kg/m³;

p₁——阀前气体压力，Pa;

T——介质的绝对温度;

Δp——阀前后差压，当超过临界压缩比时，Δp应取临界差压。

導致热胀量差别的原因主要有材料热胀系数、零件承受热载的差别和零件所处约束条件的差别，这些差别在高温调节阀制造中应仔细考虑。当热态流体进人一个冷态调节阀时，阀芯被热态流体所包围，而阀芯的散热仅靠与其相连接的具有较小横截面的阀杆，因此，阀芯能很快地达到管线流体的温度。阀座几乎是与阀芯同时加热的，因阀座的散热条件优于阀芯且阀体的线胀量常常小于阀座的径向膨账（其它零件也有类似的情况），因此，用于高温介质下的调节阀零件间的工作间隙应增大，这样在实际工作温度下，防止了擦伤和卡死。间隙的增加量是由材料的线膨账系数、使用温度、应力等条件决定的。当然对于某些调节阀来说（如柱塞阀）、随着间隙的增加，使得调节阀的有效使用温域变小，在室温或低温条件下会出现泄漏。

三、环境中的擦伤问题

控制阀部件退化的原因有很多，包括侵蚀、粘合磨损、闪蒸、气蚀、腐蚀、极端温度等。其中几个挑战通常同时发生，因此识别和理解每个问题非常重要。侵蚀是由于工艺流体中的颗粒物导致从零件中物理去除材料。这种效应在携带磨料颗粒的浆料或液体中很常见，通常通过使用硬质材料或高强度涂层来抵消。尽管名称具有误导性，但粘合磨损与腐蚀性胶水无关，而是金属相互摩擦时产生的。对于必须长时间连续运行的高循环阀门来说，这可能特别麻烦。解决这个问题的关键是选择正确的材料组合，这样它们就不会相互损坏。不同的材料有不同的易磨损倾向（粘合磨损的另一个名称）但有一些通用的指导原则。两种软质材料的接触往往会产生磨损，但硬质材料与相对较软的材料配对会持续更长时间。特定应用的最佳材料取决于该组件在阀门中的使用方式，这就是为什么不同的阀门组件通常由不同的材料制成的原因。

参考文献：

[1]冯万平.高温轴流式调节阀的研制及结构优化分析[D].兰州理工大学.2021

[2]何庆中，刘佳，陈雪峰，刘惺，徐红财，童思敏.热力学效应对高温高压调节阀空化的影响[J].浙江工业大学学报.2020（03）：350-354