【上海明精防腐閥門制造】減溫減壓控制閥的設計分析

減溫減壓控制閥是1種在蒸汽系統既能減低溫度、又能降低壓力且具有調節性能的自動控制閥。文中對減溫減壓控制閥設計中的關鍵技術進行分析，提出閥門各部分的結構的優化設計方案和材質的選用。
目前國內還沒有針對減溫減壓控制閥進行更深入的研制和開發，而國內煉油化工企業對減溫減壓控制閥的需求量還很大。因減溫減壓控制閥的短缺且無替代產品，每年都需要花費大量外匯從國外進口這種減溫減壓控制閥。該產品的研制成功，將替代國外進口的產品，滿足煉油化工企業的生產需要、節省大量投資。
由于減溫減壓控制閥使用工況條件比較惡劣，主要用于控制溫度高、壓差較大的調節。設計選擇了輸出力大的ZMSZ-4型多彈簧氣動薄膜執行機構。即采用8組組合彈簧均勻地分布于膜頭之內，這樣采用較小的彈簧組替代較大的獨立彈簧的方式，降低了加工成本，縮小了整體尺寸，使軸向長度縮短為原來普通結構的1/3左右，特別是減溫減壓控制閥采用這種結構后體積大大縮小，降低了安裝難度，方便了工藝配管的設計。同時節約了材料，降低了制造難度，控制了制造成本，上海明精提高了產品零配件的通用程度。
1.2 閥內件
閥內件是減溫減壓控制閥的關鍵部件，它直接影響減溫減壓控制閥的流量特性。過去通常采用普通單座閥芯、閥座，但這種型式閥內件的可調比較小，使用壓差較低。由于現場工作條件苛刻，經過幾年沖刷，閥芯的流量特性發生了較大變化，控制閥的減溫減壓的工作特性逐漸變壞，就經常出現因汽、水分配不勻而產生打水錘現象，伴隨著閥芯震動又出現了閥芯轉動、卡滯的現象對生產造成較大影響。因此，對減溫減壓控制閥閥內件型式進行了研究和設計;針對閥芯所受的不平衡力，閥門可調比較小的具體情況，將閥內件設計成為籠式雙座結構。提高減溫減壓控制閥工作穩定性，增大可調比，消除了噪音.
1.3 分流配水器的結構
分流器配水不均一直是困擾減溫減壓控制閥應用的難題。目前減溫減壓控制閥分流配水方式主要有2種頂部配水(閥芯中間)和底部配水結構。采用底部配水結構，在閥的底部配水，不將水直接注入在閥芯上使水不在閥芯上汽化，從而避免了閥芯震動的可能。上海明精為了提高注入與過熱蒸汽的換熱面積，將分流配水器設計成導流罩的形狀，同時在上面開出導流槽，水從導流槽里的孔中噴出與被導向的過熱蒸汽充分換熱汽化。采用分流配水器的結構和閥內件籠式雙座結構具有較為先進水平。
2 材料的性能分析
2.1 機械性能
對于閥門的密封面的硬度指標，zui重要的是在高溫下材料硬度的變化，高溫下控制閥材質的硬度變化見圖1。
1-鉻化硼合金;2-司太立合金;3-9Cr18Mo;
圖1 高溫下材質的硬度變化
當減溫減壓控制閥的工況溫度超過400℃時，在實際使用過程中閥門材質會出現蠕變和斷裂的情況。上海明精減溫減壓控制閥部件在高溫條件下長時間受載時，所受力超出其蠕變極限值，此情況下材質除產生彈性變形外，還會產生材質的蠕變。實際使用中還發現應力小于對應溫度下材料的屈服極限，但仍產生變形的情況，在設計過程中需要對這些情況進行考慮。
在同一溫度下，應力與蠕變速度成正比關系;在同一應力下，溫度與蠕變速度成正比關系。所以材質所受的應力和材質的溫度決定了其蠕變速度。在化工裝置的減溫減壓控制閥設計中，工藝管道系統的條件決定了閥體的工作溫度，而工藝介質的腐蝕性、粘度等條件又決定了閥門的材質，所以在減溫減壓控制閥設計中關鍵的是許用應力的計算確認。如果為了使控制閥材質不產生蠕變，一味的提高材質物理蠕變極限來設計，那么結果一是造成控制閥體積和質量過大，給現場安裝帶來問題，二是將造成控制閥制造成本上升，浪費人力物力。所以首先要充分熟悉控制閥材質的蠕變速度規律，確定一個合適的應力，在保證控制閥能達到正常使用年限的基礎上，減少總的蠕變發生，簡化控制閥結構，降低成本。
在實際使用過程中，減溫減壓控制閥出現過由于長時間處于高溫載荷的工況下而出現控制閥部件斷裂現象，造成控制閥故障。金屬材質在高溫短時荷載作用下，金屬材料的塑性增加，但在高溫長時間荷載作用下，塑性卻顯著降低，缺口敏感性增加，往往出現脆性斷裂的現象。實際使用中控制閥部件常常出現這樣的現象：工作應力未達到蠕變極限值，但由于部件長時間在高溫載荷下使用，zui終出現了斷裂的情況。所以在設計中應仔細對比控制閥材質的蠕變性能和斷裂性能，選取適當的許用應力。
2.2 熱脹量的差別
決定熱脹量差別的原因主要有材料熱脹系數、材料承受熱載的差別和材料所處約束條件的差別，這些差別作為減溫減壓控制閥設計中慎重確定的內容。當高溫工藝介質進入溫度較低的控制閥時，閥芯迅速浸沒在高溫工藝介質中，由于閥芯所處的結構位置不利于溫度的迅速傳導，僅能通過閥桿向外散熱，所以閥芯迅速達到管線工藝介質的溫度。閥座與閥芯同時接觸高溫工藝介質，由于閥座的具有較大的散熱面積以及閥體的線脹量常常小于閥座的徑向膨脹。而底部配水結構，使水從導流槽里的孔中噴出與被導向的過熱蒸汽充分換熱汽化又降低閥芯、閥座的溫度。所以確定減溫減壓控制閥部件間的工作間隙量時，應充分考慮上述情況產生的熱脹量的差別，預防控制閥部件出現擦傷、卡死的情況。
2.3 熱交變的影響
流經減溫減壓控制閥工藝介質的熱交變會導致閥門部件的過盈配合或連接部位松動，從而造成泄漏。所以應考慮使用封焊或點焊的方式來代替原有的螺紋連接。上海明精對于較大口徑控制閥可以使用本體堆焊閥座的方式來進行處理。
減溫減壓控制閥高溫熱交變會產生交變應力，閥門部件長期受交變應力影響會降低閥門部件的使用壽命。熱交變工況下使用彈性閥座的密封結構會達到較好的應用效果。
2.4 擦傷問題
在化工裝置實際生產應用中，常見的造成控制閥內件擦傷的原因多是由工藝介質中夾雜了大的硬雜質，在其通過控制閥時對閥座和閥芯表面造成擦傷，偶爾也會出現由機械振動沖擊造成的擦傷。
為了防止出現擦傷，設計中需要重點關注控制閥的實際工作溫度、載荷，選擇適當的閥門部件材質、密封面光潔度、硬度，防擦傷性能的配對材料選擇見表1。
表1 防擦傷性能的配對材料
2.5 材質的確定
上海明精生產的減溫減壓控制閥在苛刻工況環境下，除了要考慮材質的耐高溫性能，氣蝕對調節閥節流件的破壞是十分嚴重的。在結構設計上采用籠式雙座結構、多級降壓等措施以避免氣蝕，減少沖刷，也要在材質上選用耐磨耐沖刷的高硬度材料。常用的是經過熱處理的馬氏體沉淀硬化型不銹鋼17-7PH，經固溶處理、時效處理，析出硬化型超高強度不銹鋼NASMA-164和馬氏體不銹鋼9Cr18。CO43CrNiWNb合金尤其用于高壓工況下的閥芯、閥座選用。常采用的材料和工藝方法也有以1Cr18Ni9為基的閥芯閥座密封面堆焊司太萊合金或超音速火焰噴涂(HVOF)WC-Co噴涂。
上海明精在減溫減壓控制閥設計中，控制閥所處位置的工況溫度是決定閥門材質和結構的關鍵問題。為了保障控制閥的使用壽命和功能，在不同使用溫度下，明精控制閥應選擇不同的結構形式以適應相應的工況。
(1)根據在實際生產經驗得知，在不同溫度時設計中應注意5項內容。
大于250℃增長閥蓋頸和閥桿，增大散熱面積保證填料工作溫度不至于過高。
大于300℃需使用強度較高的閥座、閥芯密封面，并適當增大閥內件的間隙。
大于400℃使用封焊的方式對密封環進行處理，防止連接部件出現松動導致泄漏。
大于500℃應采用高強度材質制造控制閥的導向套和導向段，并采用點焊方式進行導向套與其支承件的連接。
大于600℃應該選用本體堆焊密封面。
(2)選擇適當的許用應力值，并合理的選擇能夠相匹配的材質。
(3)在高溫熱交變工況下的閥座、閥芯應采用彈性結構。