閥門的條件選擇

控製閥是過程控製工業(ye) 裏*常用的終端控製元件，控製閥調節流動的流體(ti) ，以補償(chang) 負載擾動並使得被控製的過程盡可能地靠近需要的設定點，基於(yu) 其在工業(ye) 自動化領域裏的重要性，使得控製閥的設計及製造尤為(wei) 重要，特別是某些嚴(yan) 苛的工況，如高溫、高壓差、高流速、氣蝕等，筆者將從(cong) 材料、結構、製造等方麵加以論述。

一、閥門材料的選擇
1、金屬材料
材料是至關(guan) 重要的因素，如材料的性能、蠕變、熱膨脹率、抗氧化性、耐磨性、熱擦傷(shang) 性及熱處理溫度等，這些是首先應注意的事項。在高溫（427°C）狀況下，蠕變和斷裂是材料破壞的主要因素之一，特別是碳素鋼，當長期暴露在427°C以上時，鋼中的碳化相可能轉變為(wei) 石墨，而對於(yu) 奧氏體(ti) 不鏽鋼隻有當含碳量超過0.4%時，才可以用於(yu) 528°C以上。因此，在高溫下使用時，應分別計算閥體(ti) 材料的抗拉強度、蠕變、高溫時效等參數。而對於(yu) 閥內(nei) 件的設計，還應該附加考慮材料在高溫的硬度、配合部件的熱膨脹係數、導向部件的熱硬度差、彈性變形、塑性變形等。在設計中，應給予相應的**係數和可靠係數，以確保避免在多因素下所產(chan) 生的破壞。並要熟悉高溫下材料的蠕變率，以選取合適的應力，使材料總的蠕變在正常使用壽命範圍內(nei) 不擴展至斷裂或允許其產(chan) 生微變形而不影響導向零件的正常使用。
為(wei) 避免閥內(nei) 件（閥芯、閥座）表麵的磨損、衝(chong) 蝕及氣蝕，高溫情況下要考慮材料的熱硬度，防止金屬硬度變化。在高壓差下，流體(ti) 的大部分能量集中於(yu) 閥內(nei) 件進行釋放，對閥內(nei) 件有超負載的可能，而高溫下，大部分材料的機械性能變差，材料變軟，大大影響了閥內(nei) 件的使用壽命。因此，應正確選擇合適的材料，延長閥門的使用壽命。另外，還要考慮高溫時效對材料物理性能的影響，如韌性和晶間腐蝕的變化。當使用溫度達到或超過熱處理溫度時，閥內(nei) 件會(hui) 產(chan) 生退火，硬度降低等問題，為(wei) 防止材料硬度發生變化，*高溫度極限的選擇必須在一個(ge) **的範圍內(nei) 。而相同的介質，在高溫狀況下，其分子的活動性相對活躍，某些具有一般腐蝕性的介質可能對閥體(ti) 及閥內(nei) 件金屬材質帶來嚴(yan) 重的腐蝕破壞，介質以高速的離子狀態滲入金屬內(nei) 部，使材料的特性發生改變，如熱膨脹性、晶間腐蝕等，因此，對材料的選擇，除了性價(jia) 比之外，還應考慮多因素下所產(chan) 生的失效性。
高壓差、高流速情況下，即使溫度是常溫，也應評估材料的特性，使材料可以滿足該工況。一般來說，常溫下，當壓差超過15bar時，應將閥芯、閥座的材料由316SS調整為(wei) 司太萊合金堆焊或更高要求的合金，對於(yu) 弱腐蝕性的介質，可選用420QT（淬火+回火）、440QT等。
高壓差、高流速會(hui) 帶來嚴(yan) 重的衝(chong) 蝕或氣蝕，這對閥內(nei) 件材料的傷(shang) 害非常大，因此，對閥體(ti) 及閥內(nei) 件的材料要求非常高，對於(yu) 閥籠應考慮使用不鏽鋼表麵滲氮（HRC70）處理，使之具有較強的耐衝(chong) 蝕性，提高閥門流量的精度和使用壽命。
高溫下材料的抗氧化能力，也是一個(ge) 非常重要的參數。在溫度循環變化中，所選用的材料應避免發生材料表麵重複氧化，產(chan) 生氧化皮等問題。一般情況下，奧氏體(ti) 不鏽鋼係、硬質合金係及特種合金係的材料有較好的高溫穩定性，可根據不同的高溫工況選用合適的材料。
2、非金屬材料
一般的非金屬材料無法承受高溫（300°C以上），但柔性石墨可以承受700°C以上的高溫，因此高溫工況下，無論是靜密封還是動密封，一般可以選取柔性石墨或複合材料，但應注意摩擦係數會(hui) 增大。

二、閥門零部件的結構和導熱係數的選擇
高溫高壓差閥門設計中，必須仔細考慮不同零部件的熱膨脹對閥內(nei) 件動作的影響。當高溫介質流過閥門時，由於(yu) 閥體(ti) 的線膨脹係數往往小於(yu) 閥座的線膨脹係數，所以閥體(ti) 限製了閥座的徑向膨脹，閥座隻能向內(nei) 徑膨脹，使得在高溫下，閥芯與(yu) 閥座的工作間隙小於(yu) 常溫下標準閥門設計的間隙，造成閥內(nei) 件卡死。閥芯與(yu) 導向套也會(hui) 產(chan) 生同樣的現象。因此，閥門在高溫下使用時，常溫下標準閥門的設計間隙（包括閥芯、閥座間；導向套、閥杆間）應當適當增加，這樣使其在高溫下工作也不會(hui) 發生卡死現象。因此間隙的設計顯得非常重要，因材料，尺寸及溫度差等參數的確認對設計人員非常重要，目前，可從(cong) 《ASME鍋爐及壓力容器規範Ⅱ材料  D篇 性能》中得到相應的數據。
對泄漏量要求較高的場合下閥體(ti) 和閥座盡量采用相同的合金鋼製造，並采用單座或籠式結構，盡量避免采用雙座閥結構，還要在密封麵進行硬化處理，以免高溫下閥門泄露量大幅度增加。另外還應考慮閥體(ti) 、閥蓋及連接件承受由於(yu) 高溫帶來的附加載荷造成的破壞。
溫度的循環變化會(hui) 使閥座和導向套鬆動，因此必須采用密封焊和搭接焊來防鬆或壓緊結構。閥座墊片的密封是在密封力大於(yu) 墊片的屈服極限才能夠獲得，而在高溫、高壓及熱循環工況下，密封材料發生蠕變而產(chan) 生滲漏，可采用整體(ti) 閥座，由閥體(ti) 上直接製成閥座並使之硬化。對於(yu) 大口徑閥門，可在閥體(ti) 上焊接閥座，去除墊片來避免不必要的泄漏。根據介質的溫度高低，還要考慮填料函中填料可承受的溫度及執行機構可承受的溫度。
填料函結構和使用溫度之間的關(guan) 係：
250℃以上，上閥蓋延伸，用較長的閥蓋散熱片，以保持填料不受高溫的影響。        
450℃以上，上閥蓋加長，用較長的閥蓋散熱片，以保持填料不受高溫的影響。

三、高溫高壓差周期性變化工況下密封結構
用於(yu) 高溫周期性變化的閥座密封麵結構可采用自對中契狀結構。該結構用於(yu) 零件膨脹造成密封線不圓及閥座的磨損，有自動對中和補償(chang) 作用。在高溫高壓差且溫度循環變化的情況下可有良好的密封效果，其密封是依靠柔性閥座密封部位的彈性變形實現的。
高溫情況下計算材料的密封比壓，應考慮到其密封材料的強度極限、屈服極限在高溫情況下都有所下降，來選用合理的數值。

四、高溫情況下，材料硬度的變化
在高溫情況下，各種材料的硬度都有不同程度的下降，硬度下降增加了材料塑變和擦傷(shang) 的可能。圖1是表麵硬化材料鎢鉻硬質合金、鉻硼合金及部分不鏽鋼熱硬度比較。
從(cong) 圖1中可以看出，416、440係列不鏽鋼在溫度大於(yu) 700°F（371℃）時，其硬度下降很快。而6號鉻硼係合金及司6號鎢鉻硬質合金在溫度大於(yu) 1000°F（539℃）時，其硬度才有所下降。

五、材料的塑變
塑變是指一種金屬表麵被其它材料擦傷(shang) ，粘結在一起或表麵滾成球形。它和溫度、材料、表麵光潔度、硬度、載荷有關(guan) ，會(hui) 受流體(ti) 的影響，高溫會(hui) 使金屬軟化，增加其塑變趨勢。塑變會(hui) 引起：
卡住閥門；
損壞密封麵；
增加摩擦力，引起閥芯定位不準。
管線流體(ti) 中如夾有較大較硬的顆粒，會(hui) 使閥內(nei) 件磨得粗糙不平，產(chan) 生塑變。衝(chong) 擊振動也會(hui) 造成零件承受衝(chong) 擊表麵、配合表麵的破壞，有時也會(hui) 引起塑變。

表3  下列金屬配對具有低塑變趨勢

●用於(yu) 推薦的溫度極限及合適的負載和硬度。
●在滑動接觸時，300係列不鏽鋼自身配對使用時，極易產(chan) 生塑變和擦傷(shang) ，但閥芯、閥座間的密封除外。
 
 
六、氣蝕和閃蒸
在液體(ti) 工況下，計算一個(ge) *大允許壓力降 ΔPmax,那麽(me) 閥門上的壓差（P1-P2）大於(yu) ΔPmax,那麽(me) 就會(hui) 產(chan) 生閃蒸或氣蝕，也會(hui) 引起對於(yu) 閥門或相鄰管道的結構上的損壞，並增加了閥門的振動，而產(chan) 生無法忍受的噪音。因此，應特別注意該閥門的設計。一般應通過如下方法予以考慮：
●盡可能在閥後增加多層籠，以使得閥後的壓力逐級降壓；
●改變閥體(ti) 及閥內(nei) 件的材料；
●增加閥門的流通麵積，減小流速。
 
結束語
高溫高壓差情況下，閥門的設計比較困難，主要因為(wei) 大多數閥門生產(chan) 廠沒有高溫檢測設備，高壓差閥門的產(chan) 生也需要大量的時間和實驗費用，無法驗證閥門的設計。因此，閥門設計人員應充分了解閥門原理，以設計出合理的結構，選擇正確的材料，本文提供的觀點和數據可供設計時參考。