控制閥是過(guò)程控制工業(yè)里*常用的終端控制元件，控制閥調節流動(dòng)的流體，以補償負載擾動(dòng)并使得被控制的過(guò)程盡可能地靠近需要的設定點(diǎn)，基于其在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域里的重要性，使得控制閥的設計及制造尤為重要，特別是某些嚴苛的工況，如高溫、高壓差、高流速、氣蝕等，筆者將從材料、結構、制造等方面加以論述。

一、閥門(mén)材料的選擇
1、金屬材料
材料是至關(guān)重要的因素，如材料的性能、蠕變、熱膨脹率、抗氧化性、耐磨性、熱擦傷性及熱處理溫度等，這些是首先應注意的事項。在高溫（427°C）狀況下，蠕變和斷裂是材料破壞的主要因素之一，特別是碳素鋼，當長(cháng)期暴露在427°C以上時(shí)，鋼中的碳化相可能轉變?yōu)槭?，而對于奧氏體不銹鋼只有當含碳量超過(guò)0.4%時(shí)，才可以用于528°C以上。因此，在高溫下使用時(shí)，應分別計算閥體材料的抗拉強度、蠕變、高溫時(shí)效等參數。而對于閥內件的設計，還應該附加考慮材料在高溫的硬度、配合部件的熱膨脹系數、導向部件的熱硬度差、彈性變形、塑性變形等。在設計中，應給予相應的**系數和可靠系數，以確保避免在多因素下所產(chǎn)生的破壞。并要熟悉高溫下材料的蠕變率，以選取合適的應力，使材料總的蠕變在正常使用壽命范圍內不擴展至斷裂或允許其產(chǎn)生微變形而不影響導向零件的正常使用。
為避免閥內件（閥芯、閥座）表面的磨損、沖蝕及氣蝕，高溫情況下要考慮材料的熱硬度，防止金屬硬度變化。在高壓差下，流體的大部分能量集中于閥內件進(jìn)行釋放，對閥內件有超負載的可能，而高溫下，大部分材料的機械性能變差，材料變軟，大大影響了閥內件的使用壽命。因此，應正確選擇合適的材料，延長(cháng)閥門(mén)的使用壽命。另外，還要考慮高溫時(shí)效對材料物理性能的影響，如韌性和晶間腐蝕的變化。當使用溫度達到或超過(guò)熱處理溫度時(shí)，閥內件會(huì )產(chǎn)生退火，硬度降低等問(wèn)題，為防止材料硬度發(fā)生變化，*高溫度極限的選擇必須在一個(gè)**的范圍內。而相同的介質(zhì)，在高溫狀況下，其分子的活動(dòng)性相對活躍，某些具有一般腐蝕性的介質(zhì)可能對閥體及閥內件金屬材質(zhì)帶來(lái)嚴重的腐蝕破壞，介質(zhì)以高速的離子狀態(tài)滲入金屬內部，使材料的特性發(fā)生改變，如熱膨脹性、晶間腐蝕等，因此，對材料的選擇，除了性?xún)r(jià)比之外，還應考慮多因素下所產(chǎn)生的失效性。
高壓差、高流速情況下，即使溫度是常溫，也應評估材料的特性，使材料可以滿(mǎn)足該工況。一般來(lái)說(shuō)，常溫下，當壓差超過(guò)15bar時(shí)，應將閥芯、閥座的材料由316SS調整為司太萊合金堆焊或更高要求的合金，對于弱腐蝕性的介質(zhì)，可選用420QT（淬火+回火）、440QT等。
高壓差、高流速會(huì )帶來(lái)嚴重的沖蝕或氣蝕，這對閥內件材料的傷害非常大，因此，對閥體及閥內件的材料要求非常高，對于閥籠應考慮使用不銹鋼表面滲氮（HRC70）處理，使之具有較強的耐沖蝕性，提高閥門(mén)流量的精度和使用壽命。
高溫下材料的抗氧化能力，也是一個(gè)非常重要的參數。在溫度循環(huán)變化中，所選用的材料應避免發(fā)生材料表面重復氧化，產(chǎn)生氧化皮等問(wèn)題。一般情況下，奧氏體不銹鋼系、硬質(zhì)合金系及特種合金系的材料有較好的高溫穩定性，可根據不同的高溫工況選用合適的材料。
2、非金屬材料
一般的非金屬材料無(wú)法承受高溫（300°C以上），但柔性石墨可以承受700°C以上的高溫，因此高溫工況下，無(wú)論是靜密封還是動(dòng)密封，一般可以選取柔性石墨或復合材料，但應注意摩擦系數會(huì )增大。

二、閥門(mén)零部件的結構和導熱系數的選擇
高溫高壓差閥門(mén)設計中，必須仔細考慮不同零部件的熱膨脹對閥內件動(dòng)作的影響。當高溫介質(zhì)流過(guò)閥門(mén)時(shí)，由于閥體的線(xiàn)膨脹系數往往小于閥座的線(xiàn)膨脹系數，所以閥體限制了閥座的徑向膨脹，閥座只能向內徑膨脹，使得在高溫下，閥芯與閥座的工作間隙小于常溫下標準閥門(mén)設計的間隙，造成閥內件卡死。閥芯與導向套也會(huì )產(chǎn)生同樣的現象。因此，閥門(mén)在高溫下使用時(shí)，常溫下標準閥門(mén)的設計間隙（包括閥芯、閥座間；導向套、閥桿間）應當適當增加，這樣使其在高溫下工作也不會(huì )發(fā)生卡死現象。因此間隙的設計顯得非常重要，因材料，尺寸及溫度差等參數的確認對設計人員非常重要，目前，可從《ASME鍋爐及壓力容器規范Ⅱ材料  D篇 性能》中得到相應的數據。
對泄漏量要求較高的場(chǎng)合下閥體和閥座盡量采用相同的合金鋼制造，并采用單座或籠式結構，盡量避免采用雙座閥結構，還要在密封面進(jìn)行硬化處理，以免高溫下閥門(mén)泄露量大幅度增加。另外還應考慮閥體、閥蓋及連接件承受由于高溫帶來(lái)的附加載荷造成的破壞。
溫度的循環(huán)變化會(huì )使閥座和導向套松動(dòng)，因此必須采用密封焊和搭接焊來(lái)防松或壓緊結構。閥座墊片的密封是在密封力大于墊片的屈服極限才能夠獲得，而在高溫、高壓及熱循環(huán)工況下，密封材料發(fā)生蠕變而產(chǎn)生滲漏，可采用整體閥座，由閥體上直接制成閥座并使之硬化。對于大口徑閥門(mén)，可在閥體上焊接閥座，去除墊片來(lái)避免不必要的泄漏。根據介質(zhì)的溫度高低，還要考慮填料函中填料可承受的溫度及執行機構可承受的溫度。
填料函結構和使用溫度之間的關(guān)系：
250℃以上，上閥蓋延伸，用較長(cháng)的閥蓋散熱片，以保持填料不受高溫的影響。        
450℃以上，上閥蓋加長(cháng)，用較長(cháng)的閥蓋散熱片，以保持填料不受高溫的影響。

三、高溫高壓差周期性變化工況下密封結構
用于高溫周期性變化的閥座密封面結構可采用自對中契狀結構。該結構用于零件膨脹造成密封線(xiàn)不圓及閥座的磨損，有自動(dòng)對中和補償作用。在高溫高壓差且溫度循環(huán)變化的情況下可有良好的密封效果，其密封是依靠柔性閥座密封部位的彈性變形實(shí)現的。
高溫情況下計算材料的密封比壓，應考慮到其密封材料的強度極限、屈服極限在高溫情況下都有所下降，來(lái)選用合理的數值。

四、高溫情況下，材料硬度的變化
在高溫情況下，各種材料的硬度都有不同程度的下降，硬度下降增加了材料塑變和擦傷的可能。圖1是表面硬化材料鎢鉻硬質(zhì)合金、鉻硼合金及部分不銹鋼熱硬度比較。
從圖1中可以看出，416、440系列不銹鋼在溫度大于700°F（371℃）時(shí)，其硬度下降很快。而6號鉻硼系合金及司6號鎢鉻硬質(zhì)合金在溫度大于1000°F（539℃）時(shí)，其硬度才有所下降。

五、材料的塑變
塑變是指一種金屬表面被其它材料擦傷，粘結在一起或表面滾成球形。它和溫度、材料、表面光潔度、硬度、載荷有關(guān)，會(huì )受流體的影響，高溫會(huì )使金屬軟化，增加其塑變趨勢。塑變會(huì )引起：
卡住閥門(mén)；
損壞密封面；
增加摩擦力，引起閥芯定位不準。
管線(xiàn)流體中如夾有較大較硬的顆粒，會(huì )使閥內件磨得粗糙不平，產(chǎn)生塑變。沖擊振動(dòng)也會(huì )造成零件承受沖擊表面、配合表面的破壞，有時(shí)也會(huì )引起塑變。

表3  下列金屬配對具有低塑變趨勢

●用于推薦的溫度極限及合適的負載和硬度。
●在滑動(dòng)接觸時(shí)，300系列不銹鋼自身配對使用時(shí)，極易產(chǎn)生塑變和擦傷，但閥芯、閥座間的密封除外。
 
 
六、氣蝕和閃蒸
在液體工況下，計算一個(gè)*大允許壓力降 ΔPmax,那么閥門(mén)上的壓差（P1-P2）大于ΔPmax,那么就會(huì )產(chǎn)生閃蒸或氣蝕，也會(huì )引起對于閥門(mén)或相鄰管道的結構上的損壞，并增加了閥門(mén)的振動(dòng)，而產(chǎn)生無(wú)法忍受的噪音。因此，應特別注意該閥門(mén)的設計。一般應通過(guò)如下方法予以考慮：
●盡可能在閥后增加多層籠，以使得閥后的壓力逐級降壓；
●改變閥體及閥內件的材料；
●增加閥門(mén)的流通面積，減小流速。
 
結束語(yǔ)
高溫高壓差情況下，閥門(mén)的設計比較困難，主要因為大多數閥門(mén)生產(chǎn)廠(chǎng)沒(méi)有高溫檢測設備，高壓差閥門(mén)的產(chǎn)生也需要大量的時(shí)間和實(shí)驗費用，無(wú)法驗證閥門(mén)的設計。因此，閥門(mén)設計人員應充分了解閥門(mén)原理，以設計出合理的結構，選擇正確的材料，本文提供的觀(guān)點(diǎn)和數據可供設計時(shí)參考。