高温阀门的设计与材料选择

大风歌深

摘要：

近几十年，随着现代科学技术的发展，工程项目中对高温阀门的需求越来越多。高温阀门在石化、化工、电力等行业均有应用。由于高温的长时间作用会对金属材料造成物理性能以及机械性能等方面的影响，在对高温阀门进行设计和选材时，需重点关注高温对相关因素的影响。

1、高温阀门定义及分级

在一般资料中将阀门工作温度t>450℃的阀门称为高温阀门。而对高温阀门高温等级的划分，目前尚无统一的标准。在乐精华所发表的《高温阀门的高温等级和主体材料》一文中，根据几十年生产高温阀门的经验将高温等级划分为五级。即阀门工作温度t>425~550℃为PI级，工作温度t>550~650℃为PII级，工作温度t>650~730℃为PIII级，工作温度t>730~816℃为PIV级，工作温度t>816℃为PV级。其中，PI~PIV级阀门主要靠选择合适的材料以保证其性能，PV级阀门除材料选择外更重要的是采用特殊的设计手段，如衬隔热衬里或采取冷却措施。如杨荣水、黄美林等作者所著的《超超高温气动角式截止阀》一文中所述，超超高温气动角式截止阀设置了5套冷却结构，确保了阀门在工作介质温度为2000℃工况下正常工作。

2、常用高温阀门型式

高温阀门包括高温闸阀、高温截止阀、高温止回阀、高温球阀、高温蝶阀、高温针阀、高温节流阀、高温减压阀等。其中，较常用的为闸阀、截止阀、止回阀、球阀和蝶阀。

3、高温阀门的设计要点

高温阀门设计时，要特别注意热膨胀量、热交变及材料机械性能的影响。由于材料热膨胀系数、零件所承受热载等的差别，即使几乎同时加热的阀座和阀芯在高温下的膨胀量等性能也有所不同；为了有效减少零件之间因温度造成的卡死或擦伤需适当增大阀门零件间的工作间隙，此间隙的增加量应依据材料的热膨胀系数、应力以及实际使用温度来确定。高温热交变会导致阀座和导向套之间的连接变松、加剧阀门零件的疲劳老化等，在设计中要根据具体情况采取相应的措施，如密封结构优先采用弹性阀座。高温将显著影响材料的机械性能，不同温度下材料的强度、硬度、塑性、弹性模量和波桑比等亦将不同，在设计时要充分考虑这些因素对阀门性能的影响。

4、高温阀门材料的选择

4.1高温阀门常用材料及其最高使用温度

高温阀门设计过程中应当注意使用温度不得超过材料的最大允许使用温度。根据ASMEB31.3高温阀门常用材料的最高使用温度见下表表1。需特别说明的是，在实际阀门设计中还要考虑介质腐蚀性和应力水平等因素，阀门材料的允许温度实际要比表中值低。

4.2腐蚀工况下高温阀门常用材料

4.2.1 临氢工况

碳钢及合金钢管道在临氢工况下使用时，在特定条件下易产生氢脆。根据金属中氢的来源不同，常分为内部氢脆、电化学氢脆和环境氢脆。我们平常所说的氢脆，一般指环境氢脆也常称为氢蚀。氢蚀与温度、压力和氢在钢中的溶解度大小有关。

临氢工况的材料选择，应根据管道最高操作温度加20℃~40℃的裕量和介质中氢气的分压依据Nelson曲线选择合适的抗氢钢材，高温段常选用Cr-Mo钢。此外，由于奥氏体不锈钢在任何温度条件下或氢分压下不会脱碳，也可选用奥氏体不锈钢，但需考虑材料成本因素。

4.2.2硫化氢腐蚀工况

石油化工项目中常存在硫化氢腐蚀工况，此时若选择普通阀门将无法满足安全生产要求。由乐精华、李晓刚所写的(行业标准《高压加氢装置用阀门技术规范》( JB/T11484 － 2013) 的分析)一文中可知，温度t≤120℃且有水存在时，易引起钢产生应力腐蚀开裂；温度t≤240℃且无水时，无腐蚀；温度t≥240℃时腐蚀加剧，能引起钢的快速均匀腐蚀，且当氢气和硫化氢共存时，腐蚀速度加快。硫化氢腐蚀工况下阀门材料的选择及要求可参照JB/T11484－2013《高压加氢装置用阀门技术规范》执行。

4.2.3其他腐蚀工况

其他腐蚀工况，高温阀门材料可根据介质和温度等条件选择不锈钢，镍基合金、钛合金等。如Inconel合金用于高浓度的氯化物介质，大化肥厂用Inconel600或Inconel625合金制造高压高浓度氧气阀门等。

为了适应阀门在高温下使用的要求，高温阀门的设计和材料选用有着一些和普通阀门不一样的特点，需要加以特别注意方可保证其安全正常的使用。