刘爱武(普斐特油气工程(江苏)股份有限公司，江苏 淮安 211600)

0 引言

平板闸阀主要适用于油气管道、石化油库等工艺管道上，作为输送及截断介质流的理想阀门，也可以安装在油泵出口起调节控制流量的作用，该阀门结构紧凑，启闭力矩小，密封性能好，流阻系数小，使用寿命长，是油气等截止管线理想的配套产品。而对于原油开采和冶炼时，介质的温度通常较高，如在石油开采和冶炼情况下，油温有时可超过450℃，因此对高温下工作的平板阀质量提出了更高要求。

目前将阀门工作温度t>450℃的阀门称为高温阀门[1]。高温平板闸阀在工作的过程中，由于零件受热后，出现膨胀导致间隙变化，同时材料物理性能如强度、硬度和塑性等也会变化，易出现卡死、螺栓松弛、密封失效泄漏等现象，导致阀体无法正常工作。为此，高温阀门在设计、制造、安装、使用等方面应综合考虑各种有利因素，如内件的材质用料、硬化层的工艺、结构设计、配合间隙、填料、阀体的热变形等问题。本文综述了高温平板闸阀设计过程中需要考虑的问题，同时针对这些问题综述前人的研究成果，为以后高温平板闸阀的开发设计提供借鉴和指导。

1 高温平板闸阀失效的原因

1.1 热膨胀量卡死

热胀冷缩是材料的一个基本性能，不同材料的热膨胀系数一般情况下是不同的，由于不同零件采用的材料存在差异，同时不同部位零件的温度变化也不一致，造成零件之间的热膨胀量会存在较大的差异，因此高温平板闸阀在工作的过程中各个零件尺寸会出现不同程度的改变，导致设计的零件间隙和配合关系发生变化。间隙变小就会造成零件间出现挤压力，造成具有相对滑动面的磨损甚至卡死，影响阀体的密封和开关力矩；而间隙变大会减小结合面间的密封性，造成泄露，引发事故。

1.2 热交变残余应力和热疲劳

高温平板闸阀在使用的过程中温度会受到介质通断、流量和外界环境温度的影响，出现波动，造成热交变现象。热交变会引起阀体零件表面和内部的残余应力发生变化，促使零件疲劳失效。当残余应力超过材料的屈服强度或者强度极限时，便引起工件的塑性变形或开裂。对于存在较强残余应力的零件，在收到热冲击后易发生断裂破坏。

1.3 材料高温软化和蠕变

高温平板闸阀需要长期在高温下工作，将对阀体材料机械性能产生影响，主要表现在以下两方面：一方面是对材料强度的影响，一方面是对塑形的影响。以碳素钢为例，当温度低于300℃时，碳素钢的各项强度指标升高30%～50%，而塑形出现一定的波动但基本保持不变。当温度超过300℃以后，碳素钢的各项强度指标急剧下降，而塑形显著升高出现明显的软化，当温度达到500℃后，材料的强度极几乎降到0，材料完全失效，而材料的塑形指标升高约100%，表面硬度显著降低，材料的耐摩擦和耐磨粒冲刷的能力降低，阀体材料在高温下的软化导致密封面易出现磨损或者流道被冲刷腐蚀，密封面磨损会影响阀体的密封性，影响了阀门的使用寿命，而冲刷腐蚀产生的凹坑将在后期流体交变载荷的作用下易诱发微裂纹，进而造成整个阀体的失效，造成重大的安全事故。同时由于塑形的增加，在流体压力的作用材料会出现塑形蠕变，造成材料变形，精度丢失。

1.4 连接松动

垫片软化和变形。高温使垫片材料软化，回弹能力降低，进而影响连接处的密封效果。同时受法兰接管与法兰环件温度差导致的热膨胀量的差异，法兰产生较大的向外张口角，在螺栓上产生向里的弯曲力，造成垫片内侧被挤压变形。

螺栓松弛。螺栓在高温环境下做工作时，由于热胀冷缩导致螺纹出现咬死的现象。同时由于高温下螺纹材料软化，在螺栓预紧力的作用下出现伸长，最后导致螺栓松弛，密封压力丧失，出现泄露。因此一定要保证剩余的预紧力要高出需求值，要检查联接的稳固性。

1.5 密封结构失效

常温平板闸阀通过预紧螺栓进行拧紧，使阀盖对密封环产生一个向下的压力，密封材料通过变形对密封面上的诸多凹凸点和微小缝隙进行填充，实现密封的作用。但在高温下，阀盖和阀体的温度差异和热膨胀系数不一致，导致阀盖和阀体热膨胀量不一样，因此在密封区域会出现缝隙，预紧螺栓也易出现热松弛，导致密封失效。

2 高温平板闸阀改进与优化

针对高温平板闸阀在使用过程出现的各种问题，许多学者从创新的角度对高温平板闸阀开展卓有成效的研究，主要涉及以下几个方面。

2.1 阀体改进与优化

目前针对高温阀体改进的研究主要从两个方面着手。一是通过新材料实现阀体高温性能的提升，一是通过增加原有的阀体的壁厚实现阀体力学性能的提升。

(1)阀体新材料。高温阀体材料选择过程中需要重点考虑材料受热膨胀系数和高温力学性能(包括强度，硬度和耐热冲击韧性等)。对于热膨胀系数，相同条件下选择热膨胀系数较小的材料[2]，便于后期对阀内零件配合的间隙设计，同时膨胀系数较小时在相同温升下热膨胀量较小，出现卡死的几率相对更小。另外，选择阀体材料热膨胀系数要尽量与阀内零件的热膨胀系数相近，这样在热胀冷缩的过程中使整个阀门内零件变化量一致。同时材料高温下的强度和硬度以及耐热冲击性能也是选择阀体材料时需要重点考虑的性能，这样可以提高阀体的耐磨性和耐热冲击性，提高阀体的使用寿命。

(2)高温阀体厚度设计。阀体设计过程中，应充分考虑实际应用环节可能出现的最极端的使用条件，并将其设计为阀体计算的耐压额定值，从而保证阀体具有足够的耐高温高压能力。

2.2 闸板结构改进与优化

目前针对闸板的改进主要为达到阀板与阀座间的间隙可调的目的，从而避免热膨胀引起的卡死，这是高温平板闸阀研究最多的一个方面。除了对阀板结构进行改进外，国内外学者也对阀板表面涂层进行了研究，以改变闸板的高温特性。普通平板阀的闸板上一般都堆焊有一层1～2mm的合金材料用于密封和增加闸板的耐磨损能力。针对高温阀出现的问题，许多学者采用增加堆焊层厚度的办法，使阀板硬化，同时有效地隔离高温环境，减少高温对闸板内部材料的影响。目前公认的将堆焊层厚度确定为大于4mm，层数选择3～4层，才能较好的促进阀门在高温下正常工作。

2.3 密封结构的改进和优化

密封填料改进。普通平板阀采用的橡胶密封材料在高温情况下容易老化，基本失去了密封的效果。石墨材质较软，易根据外界受力发生形变起到密封作用，耐化学腐蚀，是目前高温条件下最常用也是最理想的密封材料之一。针对于高温平板闸阀所需的密封填料目前开发出了膨胀石墨盘根和增强型石墨盘根两类。

垫片结构改进。高温平板闸阀为了提高密封性，常采用金属石墨垫片替代传统的金属垫片，以满足高温下工作的要求。金属缠绕垫片为半金属密封垫片中回弹性最佳的垫片，金属缠绕垫片结构密度可依据不同的锁紧力要求来制作，并利用内外钢环来控制其最大压紧度，同时能够对管道系统的压力热循环和振动进行自动调整，特别适用于负荷不均匀、接合力易松弛，温度与压力周期性变化、有冲击或震动的场合。

阀盖密封结构改进。针对高温平板闸阀不同部位的密封特性的差异，研究人员给出多种改进方案。如针对阀座与导向在热交变出现松动导致的密封性缺失，研究人员提出将阀座和导向接头进行严密的缝焊，从而达到高温密封的效果。而针对强制密封在高温下出现的问题，学者提出采用伍德密封方式。同时针对交变热应力导致的阀杆填料密封力丧失的问题，研究人员提出了多种适用于高温平板闸阀的弹性密封结构。通过在填料下方放置补偿性预压的弹簧(通过紧固螺栓螺母的预紧力实现)和组合式石墨盘根，实现在高温下填料密封力的保持，即使石墨填料和阀杆出现摩擦性磨损，圈形弹簧能即时作出相应的补偿性调节，保证阀门不发生外漏情况。

密封面改进。普通密封面材料，如Cr14和9Cr10Mo等，在高温条件下会软化，表面硬度丧失，如图1所示。此时密封面会出现划伤甚至塑性变形，导致密封失效。研究指出司太立合金和铬化硼合金密封材料在高温下具有较好的硬度保持性，在承受700℃高温时表面硬度仅减小不到10%或者基本不变，适用于高温平板闸阀的密封面，具有较好的高温密封效果[3]。

图1 密封面材料的硬度随温度的变化

3 结语

高温平板阀往往是客户反馈意见后才进行改进，未做系统性的分析设计。针对目前高温平板闸阀的研究发展趋势，本文预测未来的研究方向将重点从以下几个方面展开：系统性热分析。目前的高温平板闸阀试验成本和风险较大，很多企业都是根据用户反馈问题后再进行阀体优化，因此有必要进行系统性的热分析。结构改进。通过设计合理的结构，解决高温引发的各类问题，是目前优化高温平板闸阀性能成本最低的办法。密封材料研发。密封性是阀体正常工作的基础，进一步研发密封材料，实现高温下的可靠密封具有重要意义。新材料应用。通过在高温平板闸阀中运用如陶瓷、铝基碳化硅和纤维复合材料等新材料，有望大幅提升阀体的耐高温性能。