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氣動球閥在苛刻的工況中要注意哪些事項?

  氣動球閥是自動化控製係統中常用的控製元件,在越來越苛刻的自動化控製領域中對氣動球閥的設計及製造有嚴格的要求,特別是在高溫、高壓差、高流速、汽蝕等工況上必須從閥門的材料、結構、製造等方麵著手選擇適用工況的產品。

  一、氣動球閥材料的選擇

  1、金屬材料:材料是至關重要的因素,如材料的性能、蠕變、熱膨脹率、抗氧化性、耐磨性、熱擦傷性及熱處理溫度等,這些是首先應注意的事項。在高溫狀況下,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425°C以上時,鋼中的碳化相可能轉變為石墨,而對於奧氏體不鏽鋼隻有當含碳量超過0.4%時,才可以用於528°C以上。因此,在高溫下使用時,應分別計算閥體材料的抗拉強度、蠕變、高溫時效等參數。而對於閥內件的設計,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,應給予相應的安全係數和可靠係數,以確保避免在多因素下所產生的破壞。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不擴展至斷裂或允許其產生微變形而不影響導向零件的正常使用。

  為避免氣動球閥內件(閥芯、閥座)表麵的磨損、衝蝕及氣蝕,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,流體的大部分能量集中於閥內件進行釋放,對閥門內件有超負載的可能,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,閥內件會產生退火,硬度降低等問題,為防止材料硬度發生變化,最高溫度極限的選擇必須在一個安全的範圍內。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及閥內件金屬材質帶來嚴重的腐蝕破壞,介質以高速的離子狀態滲入金屬內部,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,除了性價比之外,還應考慮多因素下所產生的失效性。

  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316調整為司太立合金堆焊或更高要求的合金,對於弱腐蝕性的介質,可選用420QT(淬火+回火)、440QT等。高壓差、高流速會帶來嚴重的衝蝕或氣蝕,這對閥內件材料的傷害非常大,因此,對閥體及閥內件的材料要求非常高,對於閥芯應考慮使用不鏽鋼表麵滲氮(HRC70)處理,使之具有較強的耐衝蝕性,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,產生氧化皮等問題。一般情況下,奧氏體不鏽鋼係、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增大。

   二、氣動球閥零部件的結構和導熱係數的選擇

  高溫高壓差氣動球閥設計中,必須仔細考慮不同零部件的熱膨脹對閥內件動作的影響。當高溫介質流過閥門時,由於閥體的線膨脹係數往往小於閥座的線膨脹係數,所以閥體限製了閥座的徑向膨脹,閥座隻能向內徑膨脹,使得在高溫下,閥芯與閥座的工作間隙小於常溫下標準閥門設計的間隙,造成閥內件卡死。閥芯與導向套也會產生同樣的現象。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《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、閥蓋及連接件承受由於高溫帶來的附加載荷造成的破壞。

  溫度的循環變化會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生滲漏,可采用整體閥座,由閥體上直接製成閥座並使之硬化。對於大口徑閥門,可在閥體上焊接閥座,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。

  三、氣動球閥高溫高壓差周期性變化工況下密封結構

  用於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的可能。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。

  五、材料的塑變

  塑變是指一種金屬表麵被其它材料擦傷,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,會受流體的影響,高溫會使金屬軟化,增加其塑變趨勢。塑變會引起:卡住閥門;損壞密封麵;增加摩擦力,引起閥芯定位不準。管線流體中如夾有較大較硬的顆粒,會使閥內件磨得粗糙不平,產生塑變。衝擊振動也會造成零件承受衝擊表麵、配合表麵的破壞,有時也會引起塑變。

  以上盾奇閥門從材料、結構、製造等方麵論述了氣動球閥在苛刻的工況中應注意的事項,閥門在苛刻的環境下必須有一個相應的標準,所以不管是氣動球閥還是電動球閥等自動化閥門產品都要按照生產標準來製造,保證閥門在嚴峻工況下的安全運行。

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