高温阀内件的材料和设计

    在高温下,屈服限、张力和抗压强度降低了,在8000°F以上,蠕变和断裂成为应考虑的因素。在高温下使用,阀内件经受一个初始的弹性变形,并在承受荷载下连续地变形或随时间而“蠕变”。塑变发生于应力低于给定温度时的屈服强度。这点可利用来装填固定阀杆一阀芯和压紧阀座、阀杆及阀芯。把套筒或阀内件固定在应有的位置也简化为压紧装填。
    设计零件,应力选取低一些就不会发生蠕变,但零件的重量大,而且不经济。所以,设计人员应当知道材料的蠕变率,必须选取一个应力,使总的蠕变在正常使用寿命的范围内不扩展到断裂区或允许变形而不影响可动零件。
    热硬度是必需的,防止损伤阀座的密封表面,并防止塑变,老化及随之而来的物理性质变化如韧性,颗粒大小等必须考虑。
    耐锈蚀是表示材料抗氧化的能力,在温度的循环变化时无重复锈蚀或表面分层剥落而暴露出新的金属。
    选择最高的温度极限,必须有一个缓冲区,以防止金属硬度的变化,当使用条件达到或超过热处理温度时,将使阀芯、阀座接合面及耐磨损的表面退火。
    在高温阀门设计中,必须仔细地考虑不同的零部件热膨胀。当热流体进入一个冷的阀门时,包围着阀芯,很快就使它达到管线的温度,而阀芯的热损失受到截面较小的阀杆和(或)导向杆热传导的限制。阀座环的质量很小,和阀芯一样快地受到加热,但热量从一开始就通过阀体中的桥壁传热。由于阀体的线性热膨胀系数往往小于阀座,它的作用相当于一个约束部件,限制阀座在径向的膨胀。阀芯杆和导向衬套也同样受到影响。这些工作条件会减小所设计的标准阀门的工作间隙,所以。当所制造的阀门是在高温下使用时,标准阀门的室温间隙应当增加。这样,在最高的工作温度下,间隙差不多接近于正常的。阀芯杆在导向衬套中的紧配合要比阀芯的圆柱部分与阀座孔的间隙做的更紧一些,藉以防止塑性变形和摩擦。当导向间隙增加时,阀芯与阀座孔的间隙也必须增加。在常温下使用或进行流量测试时,这种结构对降低可调范围或低流量的控制是有影响的。
    双座阀有些问题,因为阀芯在两个阀座接合面之间的线性膨胀可能超过阀体的膨胀。而阀座环是固定在阀体上的。在平衡式的套筒阀中可以避免发生这个问题,它使用两种不同的金属材料,阀芯和套筒是用同样的材料制造的,阀座是用另一种材料做成的。
    下面给出一个口径为2英寸的双座阀的例子:
    全负荷流通口的阀座,相距高度为3英寸
    阀芯材料为316不锈钢,线性膨胀系数为10.3×10-6英寸/英寸/°F
    阀体材料为碳钢,线性膨胀系数6.3×10-6英寸/英寸/°F
    线性膨胀系数4×10-6英寸/英寸/°F
    在70°F下阀芯同时装入两个阀座
    在200°F时,△T=200°F
    (200°F)×(4×10-6英寸/英寸/°F)(3英寸)=0.0025英寸的膨胀差
    这样就带来了下阀芯在阀座上,温度270°F,而上阀芯将离开它的阀座0.0025英寸,这将出现一个大的泄漏量。
    为了克服上述的问题,高质量阀门的阀芯往往采用和阀体相同的合金钢来制造,阀座接合面经表面硬化处理。
    温度的循环变化引起了阀座环和导向衬套松动,所以必须分别进行密封焊或定位搭焊。对于极高的温度,在大口径的阀门中,较好的办法是直接利用阀体中经表面硬化的桥形壁做为阀座,这叫做整体阀座。由于阀座的垫片必须超载承担密封,恶劣的温度循环变化会引起蠕变和泄漏,所以在高温高压的使用条件下最好不用垫片。

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