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高温阀门的设计与计算 吉日,—, 同沮 开发与设计Designamp;Development 阀门的设计与计算 伯特利阀门集团有限公司(浙江325105)张清明 【摘要】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 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 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 变.如碳素钢温度超过300～35O℃,合金钢在400～ 450~C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 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. 图1典型的蠕变曲线 第l阶段——曲线n6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 2008年第2期 WWW.tylx,net 蠕变阶段. 第2阶段——曲线6c段,这一阶段的蠕变曲线接 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cd段,这一阶段的蠕变速度17 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. 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. 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 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. 通用棚黼 开发与设计Designamp;Developmenl 第阶段第阶段第j阶段 HH撞金属表面Il理吸附lI…… 第四阶段r——————一 氧的化lI氧溶解j:lI氧与金属原} 学吸附lI金属基体IJ阅初始换位 表面氧原金 属原子2维排列 均有序表面匿建 第五阶段 灏层1llI丧,大保护性Il 图2金属氧化过程的示意图 2.金属材料在高温下性能的变化 (i)蠕变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. (2)球化和石墨化在高温作用下,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425℃以上就会发生石墨化. (3)热疲劳性能材料如果长期冷热交替工作,那 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. (4)材料的高温氧化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570E 的高温气体中容易产生氧化皮而使金属变薄. 3.影响材料抗高温氧化性能的主要因素 (1)材料性质包括化学成分,组织结构,热膨胀 系数,弹性模量和泊松比等. (2)氧化膜性质包括体积比,热力学稳定性,氧 化膜相组织,力学性质和物理性质. (3)氧化膜/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 技术s宜瞬1I【; 面结合强度等. (4)气相气相的化学成分,气十f{的总压力,气相 流动状态流速,流动气体