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 高溫閥門(mén)設(shè)計(jì)解析

• 高溫閥門(mén)定義及分級(jí)

在一般資料中將閥門(mén)工作溫度t>450℃的閥門(mén)稱(chēng)為高溫閥門(mén)。而對(duì)高溫閥門(mén)高溫等級(jí)的劃分，目前尚無(wú)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。在樂(lè)精華所發(fā)表的《高溫閥門(mén)的高溫等級(jí)和主體材料》一文中，根據(jù)幾十年生產(chǎn)高溫閥門(mén)的經(jīng)驗(yàn)將高溫等級(jí)劃分為五級(jí)。即閥門(mén)工作溫度t>425~550℃為PI級(jí)，工作溫度t>550~650℃為PII級(jí)，工作溫度t>650~730℃為PIII級(jí)，工作溫度t>730~816℃為PIV級(jí)，工作溫度t>816℃為PV級(jí)。其中，PI~PIV級(jí)閥門(mén)主要靠選擇合適的材料以保證其性能，PV級(jí)閥門(mén)除材料選擇外更重要的是采用特殊的設(shè)計(jì)手段，如襯隔熱襯里或采取冷卻措施。如楊榮水、黃美林等作者所著的《超超高溫氣動(dòng)角式截止閥》一文中所述，超超高溫氣動(dòng)角式截止閥設(shè)置了5套冷卻結(jié)構(gòu)，確保了閥門(mén)在工作介質(zhì)溫度為2000℃工況下正常工作。 

• 高溫閥門(mén)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

高溫閥門(mén)設(shè)計(jì)時(shí)，要特別注意熱膨脹量、熱交變及材料機(jī)械性能的影響。由于材料熱膨脹系數(shù)、零件所承受熱載等的差別，即使幾乎同時(shí)加熱的閥座和閥芯在高溫下的膨脹量等性能也有所不同；為了有效減少零件之間因溫度造成的卡死或擦傷需適當(dāng)增大閥門(mén)零件間的工作間隙，此間隙的增加量應(yīng)依據(jù)材料的熱膨脹系數(shù)、應(yīng)力以及實(shí)際使用溫度來(lái)確定。高溫?zé)峤蛔儠?huì)導(dǎo)致閥座和導(dǎo)向套之間的連接變松、加劇閥門(mén)零件的疲勞老化等，在設(shè)計(jì)中要根據(jù)具體情況采取相應(yīng)的措施，如密封結(jié)構(gòu)優(yōu)先采用彈性閥座。高溫將顯著影響材料的機(jī)械性能，不同溫度下材料的強(qiáng)度、硬度、塑性、彈性模量和波桑比等亦將不同，在設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮這些因素對(duì)閥門(mén)性能的影響。

• 高溫閥門(mén)常用材料及其zui高使用溫度

高溫閥門(mén)設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)當(dāng)注意使用溫度不得超過(guò)材料的zui大允許使用溫度。根據(jù)ASMEB31.3高溫閥門(mén)常用材料的zui高使用溫度見(jiàn)下表表1。需特別說(shuō)明的是，在實(shí)際閥門(mén)設(shè)計(jì)中還要考慮介質(zhì)腐蝕性和應(yīng)力水平等因素，閥門(mén)材料的允許溫度實(shí)際要比表中值低

表1

• 腐蝕工況下高溫閥門(mén)常用材料?

臨氫工況

碳鋼及合金鋼管道在臨氫工況下使用時(shí)，在特定條件下易產(chǎn)生氫脆。根據(jù)金屬中氫的來(lái)源不同，常分為內(nèi)部氫脆、電化學(xué)氫脆和環(huán)境氫脆。我們平常所說(shuō)的氫脆，一般指環(huán)境氫脆也常稱(chēng)為氫蝕。氫蝕與溫度、壓力和氫在鋼中的溶解度大小有關(guān)。臨氫工況的材料選擇，應(yīng)根據(jù)管道zui高操作溫度加20℃~40℃的裕量和介質(zhì)中氫氣的分壓依據(jù)Nelson曲線(xiàn)選擇合適的抗氫鋼材，高溫段常選用Cr-Mo鋼。此外，由于奧氏體不銹鋼在任何溫度條件下或氫分壓下不會(huì)脫碳，也可選用奧氏體不銹鋼，但需考慮材料成本因素。

硫化氫腐蝕工況

石油化工項(xiàng)目中常存在硫化氫腐蝕工況，此時(shí)若選擇普通閥門(mén)將無(wú)法滿(mǎn)足安全生產(chǎn)要求。由樂(lè)精華、李曉剛所寫(xiě)的(行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《高壓加氫裝置用閥門(mén)技術(shù)規(guī)范》( JB/T11484 － 2013) 的分析)一文中可知，溫度t≤120℃且有水存在時(shí)，易引起鋼產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂；溫度t≤240℃且無(wú)水時(shí)，無(wú)腐蝕；溫度t≥240℃時(shí)腐蝕加劇，能引起鋼的快速均勻腐蝕，且當(dāng)氫氣和硫化氫共存時(shí)，腐蝕速度加快。硫化氫腐蝕工況下閥門(mén)材料的選擇及要求可參照J(rèn)B/T11484－2013《高壓加氫裝置用閥門(mén)技術(shù)規(guī)范》執(zhí)行

其他腐蝕工況

其他腐蝕工況，高溫閥門(mén)材料可根據(jù)介質(zhì)和溫度等條件選擇不銹鋼，鎳基合金、鈦合金等。如Inconel合金用于高濃度的氯化物介質(zhì)，大化肥廠(chǎng)用Inconel600或Inconel625合金制造高壓高濃度氧氣閥門(mén)等。