高温阀门的设计与计算

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阀门的设计与计算35 0 )张清明 2 15

伯特利阀门集团有限公司 (浙江

【要】论述了高温阀门材料的蠕变过程和主要影响因素，介绍了高温阀门产品的设计和计算方摘 法，提出了阀门材料的选择及热处理方法。

【关键词】高温阀门设计与计算材料热处理

一

、

刖吾

蠕变阶段。 第 2阶段——曲线 6,这一阶段的蠕变曲线接 c段

金属材料在恒定温度和恒定应力的长期作用下，随时间延长材料会慢慢地发生永久塑性变形的现象称为蠕

近于一条直线，蠕变速度达到最小值，并基本保持不变，称为等速蠕变阶段或稳定蠕变阶段。 第 3阶段——曲线 c d段，这一阶段的蠕变速度 1 7 随时间的延长而不断增加，达到 d点时，产生蠕变断裂，称为加速蠕变阶段。

变。如碳素钢温度超过 3 0~3 O 0 5℃、合金钢在 4 0~ 0 4 0C 5￣以上时，金属材料就有可能产生蠕变行为。高温阀门一般应用于锅炉、蒸汽管道、石油、化工、火力发电及冶金等领域。由于在高温下运行的阀门，容易产生

蠕变变形，中法兰螺柱松弛，密封面泄漏及楔形卡死等现象。因此，在阀门结构设计上要保证这些零部件具有

其特点是：当应力较小或温度较低时，蠕变第 2阶段持续时间较长，甚至可使第 3阶段不发生；当应力较大或温度较高时，蠕变第 2阶段持续时间变短，甚至完全消失，材料会在很短时间内发生断裂，所以在设计选择材料时，尽量选取具有较短时间的蠕变第 l阶段，较长时间的第 2阶段和明显变化的第 3阶段的金属材料， 这样可使高温下工作的零部件在很短的时间内达到最小的蠕变速度，致使在很长的时间内只具有较小的蠕变变形。

足够的强度和工作寿命，材料选择上也要考虑材料的屈服强度和热膨胀系数。蠕变设计就是为在高温长时间工作的阀门零部件提供有关的强度设计方法。

二、蠕变曲线金属材料的蠕变过程常用变形与时间之间的关系曲线来描述，在工程上称为蠕变曲线。蠕变的整个过程可分为三个阶段，如图 l。

三、材料分折1材料高温氧化的基本过程 .材料高温氧化实际上是一个十分复杂的过程，整个过程可分为五个

阶段如图 2,前三个阶段是共同的，为

气~固反应阶段，这是一个复杂的过程，需要用化学吸附的试验方法进行测定与研究。第四个阶段为氧化物膜形成初始阶段，由于材料组织结构与特性的不同以及环境温度与氧分压的差异，金属与氧的相互作用各异，所图 1典型的蠕变曲线

以金属因化学吸进而形成均匀外氧化膜或形成三维有序氧化物薄膜。第五个阶段均控制带在电质传播氧化物膜均匀生长。

第l阶段——曲线 n 6段，这一阶段的蠕变速度随时间的延长而逐渐减小，也称为减速蠕变阶段或起始

20 08年第 2期W W. l,e W tx n t y

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技宜 I术s瞬1【;面结合强度等。( )气相气相的化学成分，气十的总压力，气相 4 f{流动状态流速，流动气体是否禽有固体颗粒，受外力状态等。

第阶段

第阶段

第j阶段

撞表H附 I…金面 l H 属 I理 l… 吸第四阶段r——————一

氧的化 l氧溶解jl氧与 I: I金属原}表面氧原

金维排列学吸附 l金 I属基体I J阅初始换位属原子2均有序表面匿建

4影响材料蠕变性能的主要原因 .()化学成分碳含量 (合金元素如 M、C、 1:、 o r

第五阶段

w、V、N和 N等。 b i ( )工艺因素 2冶炼工艺、热处理工艺、晶粒度和

l, l大层 I保 1 护灏性丧 I图 2金属氧化过程的示意图

预变形等。 ( )工作条件温度变化、载荷变化和环境气氛 3等。 ( )零件尺寸与形状尺寸变化、应力集中、表面 4粗糙度和加工精度等。

2金属材料在高温下性能的变化 .( )蠕变 i材料在高温下受外力作用时，随着时间

的延长，缓慢而连续产生塑性变形的现象，称为蠕变。 材料蠕变特征与温度和应力有很大关系。温度升高或应力增大，蠕变速度加快。所以，对于高温下长期工作的锅炉、蒸汽管道及压力容器所有材料的阀门应具有良好的抗蠕变性能。以防止因蠕变而产生大量变形导致结构破裂及造成爆炸等恶性事故。

四、设计1壳体壁厚 .壳体应设计成可承受最大压力额定值，以使压力损失及腐蚀和侵蚀影响降至最低：

2中部密封结构设计

.密封结构设计可分为两大类：一类是强制密封；一

( )球化和石墨化 2

在高温作用下，材料中的渗碳

体由于获得能量将发生迁移和聚集，形成品粒粗大的渗碳体并夹杂于铁素体中，其渗碳体会从片状逐渐转变成球状，称为球化。由于石墨强度极低，并以片状出现， 使材料强度大大降低，脆性增加，称为石墨化。碳钢长期工作在 4 5 2℃以上就会发生石墨化。 ( )热疲劳性能 3材料如果长期冷热交替工作，那

类足伍德密封。 ( )强制密封 ( 1如图 3拧紧中法兰螺栓，对密 )封垫片施加压力，预紧的垫片受到压缩，密封而卜【凸 1 J】

不平的微隙被填满。这样就为 6止介质订漏形成 l f i} 1=『仞始密封条什一一密封面形成预紧比压强制密封的典型结构是平垫密封、缠绕垫密封和齿形氆密封等。通常用于巾温[压巾小几径的阀门。 f 1

么材料内部在温差变化引起的热应力作用下，会产生微小裂纹而不断扩展，最后导致破裂。因此，在温度起伏变化工作条件下的结构，阀门的材料应考虑其热疲劳性能。

( )材料的高温氧化 4

材料在高温氧化性介质环境

中会被氧化而产生氧化皮，容易脆落。碳钢处于 5 0 7' E的高温气体中容易产生氧化皮而使金属变薄。图 3强制密封结构1阀盖 2垫片 . . 3体 阀

3影响材料抗高温氧化性能的主要因素 .( )材料性质 1包括化学成分、组织结构、热膨胀

系数、弹性模量和泊松比等。

()伍德密封 ( 2如图 4由阀体、浮动阀盖、密 )封环、密封垫、四开环、支承环和牵制螺栓组成。升压

()氧化膜性质包括体积比、热力学稳定性、 2氧化膜相组织、力学性质和物理性质。 ( )氧化膜/ 3金属界面氧化膜与材料处的延伸生长关系、界面的几何形状、界面的化学变化和界面与界

前，先拧紧牵制螺栓，浮动阀盖升，使阀盖与弹性楔形垫之问，弹性楔形垫与阀体之问产生旋紧密封力。当

介质压力作用时，阀盖受介质压力作用向上移动，牵制

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2 8第期 7t O年 2 ne 0 . .

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( )奥氏体不锈钢 2

抗拉强度安全系数 n=30 .,

屈服强度安全系数 n=15。 .,蠕变

强度安全系数 n =

10 .,持久强度安全系数 n=15 .。 ( )压力在 i 0 MP阀门抗拉强度安全系数 3 0—10 a=

27 .,屈服强度安全系数 n=1 6 s .,蠕变强度安全

系数 n=10 .,持久强度安全系数 n=15 。图 4伍德密封结构I支承环 . 2四开环 3阀盖

6高温螺栓连接 .在高温下工作的螺栓，要考虑温差载荷、螺栓和被连接件力学性能的变化、应力松弛、螺栓咬死及不同的线胀系数等现象。

螺栓开始卸载，阀盖与楔形密封垫以及阀体与楔形密封垫之间的密封比压，随压力的增加而逐渐增加，保证良 好密封。密封面上工作密封比压由两部分合成，一是预紧密封比压，二是由介 …… 此处隐藏：2896字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……