随着工艺水平的发展，阀门等工艺装备向更高温度、更高压力等高参数、高性能扩展是长期的趋势。
根据工程工艺，某海绵钛冶炼厂氯化炉设计温度800℃，出口管道公称直径为DN200，公称压力为PN16，选用球阀，操作方式为气动，根据工况参数要求，开展该超高温球阀的研制开发工作。
问题分析
高温球阀在应用中的主要问题有密封失效、高温卡死等。其中，密封失效主要表现为内漏。原因有很多，主要有：
1）涂层材料、硬化工艺选择不当和工艺稳定性差等导致表面硬度不够高发生磨损，或涂层与基材结合强度低，发生脱落。
2）密封副配合度不高，带来一系列问题，如颗粒堆积、操作不平稳，综合作用下，导致密封最终失效。
球阀内件（球体、阀座）的磨损失效实例如图1和图2所示。
图1 磨损的球体
图2 磨损的阀座
高温卡死问题，表现为操作转矩增大，阀杆或执行器失效等。原因除了密封面已磨损外，还有间隙设置不合理，高温下材料膨胀导致结构件之间过盈，造成转矩异常增大。
该高温耐磨球阀安装在水平管道上，阀门下游管道排空，为氯化炉排渣用。工作时，用空气将氯化炉中的炉渣、灰份等经过排渣管道排空，每次工作时间为1~2h，要求该阀门具备良好的高温操作性能。除此之外，氯化反应时，反应炉中存在大量氯气，为有毒气体，要求该阀门具备良好的高温密封性能。
该阀门属于典型的高温、耐磨、介质有毒的阀门。研究中应关注的关键问题有：合理选择阀门的结构型式；合理的尺寸链设计，主要目的为避免高温卡死问题；可靠的驱动链设计，提高起闭操作的安全系数；合理的密封面硬化工艺。
阀门设计
1. 工况参数及选型
按照设计输入，设计海绵钛冶炼厂氯化炉出口高温球阀，工况参数如下：介质为高温渣料颗粒（粒径约70μm）、氯气和空气；氯化炉温度为800℃；工作压力为0.3MPa；公称压力为PN16；公称尺寸为DN200。
根据该阀门工况特点，确定该阀门的型式为：
1）主体采用Incoloy 800H材质，其在工况温度下具备良好的抗氧化、抗蠕变性能，能够满足工况使用需求。
2）单向密封浮动球阀，密封阀座为本体阀座，位于流向下游。
3）加长阀杆设计，避免阀杆密封填料长期承受高温因其填料烧蚀，降低密封效果。
4）弹性补偿元件为碟簧，Incoloy X750材质，碟簧设计较大的补偿量，以补偿加工、装配误差及温度变化导致的尺寸变化。
5）采用较安全的驱动链设计，按公称压力操作扭矩的1.5倍安全系数选择驱动机构，并配备手动驱动装置备用。
该高温耐磨球阀的结构如图3所示。
图3 高温耐磨球阀结构示意
2. 材质选择
因产品为高温阀门，阀门选材应满足工况温度对材料高温性能的要求，故阀门主体材质选用为奥氏体耐热钢Incoloy 800H，因其在工况温度下具备较高的耐高温蠕变、抗氧化性。各零件选材如下：阀体选用Incoloy 800H，阀杆选用Incoloy 800H，球阀选用Incoloy 800H+碳化铬，阀座选用Incoloy 800H+碳化铬，碟簧选用Incoloy X750，螺栓选用ASTM A648 Gr.660，螺母选用ASTM A194 8M。
操作方式：气动，加装快排阀以提高关闭速度。
结构特点：两体式浮动球阀，用碟簧施加预紧密封力，上游阀座为浮动阀座，阀座与球体之间不密封，下游阀座整体式阀座，直接在下游侧阀体上加工出球面，并做表面喷涂。
3. 设计计算
（1）基本设计 最小壁厚按GB/T 12224《钢制阀门 一般要求》，并参考ASME B16.34《法兰、螺纹和焊接端连接的阀门》3.15组材料的温度压力额定值，确定阀门的最小壁厚为15mm。
法兰端按HG/T 20592《钢制管法兰》设计计算。
结构长度按GB/T 12221《钢制阀门 结构长度》，取457mm。
最小通道直径按GB/T 12224《钢制阀门 一般要求》，取200mm。
（2）球体 球体通道直径按阀门通道直径，球体直径j经计算，并考虑加工、工况等特点适当增大，取320mm。
（3）密封 密封设计应满足密封条件。密封部位包含阀座密封，即阀门主密封、阀座与阀体密封、阀体连接密封以及阀杆密封等。
（4）弹簧 阀门一般采用的弹簧有圆柱弹簧、碟形弹簧等。本工况介质含炉渣等颗粒物，且为高温工况，为降低颗粒堆积对弹簧的影响，并降低结构复杂程
度，采用碟簧。
（5）转矩 驱动装置的输出转矩，应大于阀门起闭动作时的摩擦转矩，对浮动球阀其组成有：球体/阀座密封面的摩擦转矩、阀杆与填料的摩擦转矩、阀杆与止推垫（平面轴承）的摩擦转矩等。
球体/阀座密封的摩擦转矩，包含进口端阀座和出口端阀座密封面的摩擦转矩。
（6）驱动装置 按公称压力操作转矩的1.5倍安全系数进行选型。
密封副的表面喷涂及加工
1. 喷涂工艺及材料选择
球体及阀座密封面的耐磨材料和工艺是金属硬密封耐磨球阀最关键的技术之一，密封面耐磨材料及工艺的选用需要考虑使用工况的压力、温度、腐蚀性和介质硬度等因素。此外，还需要考虑密封面耐磨材料与基体材料的结合强度、耐磨层的厚度、硬度和孔隙率等多种因素，以及涂层材料对工艺的适用性。
涂层的制作工艺上，目前使用的主流方法有超音速喷涂、镍基合金热喷涂和激光熔覆技术等，其他工艺如堆焊、渗氮、渗硼和镀铬因为工艺稳定性、效率、硬化层均匀性、硬度、硬化层厚度等方面存在不足，高温硬密封球阀基本不采用。
（1）超音速火焰喷涂 超音速火焰喷涂（HVOF）主要是通过极高的速度将耐磨粉末涂层材料喷涂到基体材料表面。喷涂时的气流速度在很大程度上决定了喷涂的质量。喷枪能够产生更高的气流速度，则耐磨粉末涂层就能够获得更高的运动速度，从而耐磨粉末涂层与基体材料就能够获得更高的结合力和更高的致密性，因此也就具有更好的耐磨性能和耐腐蚀性能。
超音速火焰喷涂的优点是可以喷涂超硬的涂层材料，涂层的硬度甚至可以达到74HRC以上，因此涂层具有很好的抗擦伤性能和耐磨性能。另外，超音速喷涂时，基体材料不需要进行高温加热，因此基体材料不会发生热变形。但是，由于超音速喷涂主要是通过耐磨粉末涂层与基体材料的高速撞击而产生物理结合，结合强度比镍基合金的热喷涂要低一些，通常结合力在68～76MPa，厚度0.2～0.5mm，因此，对于高压球阀（如Class1 500～Class2 500的球阀）的球体，采用超音速喷涂技术其涂层在使用中有脱落的可能。
另外，超音速喷涂的设备投入较大，约60万～90万元，包含空气压缩机、送粉系统、控制系统、喷枪和辅助设备等部分。
对于超音速火焰喷涂涂层的性能主要有以下几个方面的指标：孔隙率、氧化物含量、显微硬度、结合强度、金相结构、涂层应力状况、涂层加工性能以及涂层的均匀性等。
常用的超音速喷涂材料有：碳化钨钴、碳化钨钴铬、镍基合金、碳化铬和陶瓷等。碳化钨钴及碳化钨钴铬的使用温度一般不超过540℃，要适用于更高的温度，通常采用碳化铬及陶瓷等喷涂材料。
（2）镍基合金热喷涂 镍基合金热喷涂在硬密封球阀上成功成熟。主要使用Ni55、Ni60、Ni60+WC25%等，镍是主要成分，也是耐磨材料与基体材料的黏合剂，包括镍、铬、硼和硅，硬度可达55～60HRC。
高温加热基体及镍基合金材料，使耐磨材料与基体达到冶金结合，特点为结合强度高、厚度较大（0.5～1.0mm）。
控制要点：温度及其分布。温度过低，不能真正实现冶金结合，易脱落；温度过高，造成镍基合金的熔化流失。此外，大口径球体，各部位壁厚不一，难以精确、均匀地控制加热温度（部分厂家采用中频感应球体加热）。
（3）激光熔覆 采用激光熔覆技术进行球体表面的合金喷焊也具有很好的效果，采用该技术，球体的热影响区很小，喷焊层的硬度比镍基热喷涂更高，但是喷焊效率较低，而且喷焊后的球体表面粗糙度较高，加工量较大。
该方法常用的材料为镍基合金、钴基合金等，对喷涂碳化钨、碳化铬难度较大，尤其碳化铬，其冷却过程中由于产生硬化相而易导致开裂。
根据工况温度，选择球体、阀座的密封面涂层材质为Cr3C2，喷涂方法为超音速火焰喷涂（HVOF）工艺。
2. 密封副的加工
球阀的密封副指球体和阀座，其加工步骤为车—磨—喷涂硬化—磨—配研。配研后，应检测阀座、球体的加工结果，通常的检测方法有：三坐标检测、煤油渗透性检测等（见图4和图5）。
图4 三坐标检测球体圆度
图5 球体和阀座密封面煤油检漏
高温膨胀分析
设计初步完成后，对所设计的高温球阀进行虚拟装配、干涉检查和高温膨胀分析，以避免设计阶段出错，并确定满足高温状态的配合间隙，保证高温膨胀后部件之间不发生干涉。
阀门试验情况
阀门装配完成后，按照试验GB/T 26480 《阀门的检验和试验》进行压力试验，按照JB/T 8861 《球阀 静压寿命试验规程》进行常温10 000次寿命试验。试验合格后，进行高温密封试验和高温动作试验，检测阀门高温使用性能，均满足要求，随后交付使用，目前已连续正常运行6个月，性能优异，满足工况使用需求。
以上节选自《通用机械》
海绵钛冶炼用高温耐磨球阀的设计
作者：孙兵兵 等
哪台发动机不想活成通用“阿凡达”的样子？完美平衡内燃机的性能与油耗，是汽车工程师们所追求的终究目标。
但“平衡的艺术”在各行各业都是一门极其严苛且复杂学问，需要在各种复杂要素之间权衡利弊得出最优方案，背后的每一项决策都是判断、取舍和平衡。
对于内燃机来说，其“平衡艺术”的本质就是消耗更少的燃油，榨取更多的马力以提升性能上限。而为了符合严苛的排放法规，最大程度开发出发动机的“潜力”，加涡轮和提升缸内压缩比就成了两条主流的技术路线。
只是在过去这些年，小排量涡轮增压机设计初衷并非为性能而来。所以，能发现市面上以节能为目的的增压机比比皆是，比如PSA旗下代号为HN05的1.2THP发动机、代号DLS的大众1.2TSI发动机、丰田家的9NR 1.2T发动机等，均在节油方面有口皆碑。
丰田9NR 1.2T发动机
但我们也不得不需要展望下“排放愈发严苛”的未来，在那时，车长超过5米的中高级轿车也可能会搭载小排量涡轮增压发动机，诸如9NR这类“节能型”发动机自然就不适用。由此，节能与性能如何相辅相成，发动机何以高效就变得至关重要。
关于这点，通用汽车工程师则给出了一套近乎“完美平衡”的发动机解决方案，即第八代Ecotec全新1.5T发动机，内部代号“阿凡达”。
作为一台围绕“高效”理念开发的发动机，第八代Ecotec全新1.5T发动机在前沿智驱科技的创新和越级性能两方面达到全新高度，并借此荣获“中国心”2021年度十佳发动机。值得一提的是，通用旗下Ecotec系列发动机中的11款机型以及3款新能源驱动系统摘得“十佳”桂冠。在空前激烈的竞争中脱颖而出，接下来我们就看看通用汽车工程师做出了哪些努力。
多线标杆技术加持，性能刷新1.5T“天花板”
首先，为了最大程度提升发动机的热效率，第八代Ecotec发动机建立了“单缸最优”的燃烧模型。工程师们通过台架反复试验，收集数据后分析得出：在不同的工况状态下，单缸排量只要低于0.33L，热效率就会出现大幅衰减；单缸排量只要超过0.5L，爆燃等其它不完全燃烧的现象就很容易发生。
由此，通用工程师在综合考量了燃效、经济性、NVH性能等因素之后，认为小型发动机的单缸排量应当介于0.33L-0.5L之间，第八代Ecotec全新1.5T发动机就是在这一理念下诞生。
如果说“单缸最优”理念和模块化架构为全新1.5T发动机的起到了提升性能下限的作用，多项标杆技术的加持则让发动机的性能上限大幅提升，使其“底气”更足。
比如35MPa 高压燃油直喷系统，不仅可以精准控制的喷油量，同时汽油雾化颗粒甚至能达到8μm，让燃油燃烧更加充分，这也是通用汽车在行业中率先使用的技术。
打个比方，当我们用火点燃纸团的时候，火焰由外到内燃烧，不仅速度不快，甚至待到火焰熄灭纸团中心部分还留有残余。如果将纸团全部撕成细小碎片再点燃，不仅燃烧速度更快、更充分，释放的能量也更多，35MPa 高压燃油直喷系统起到的就是这样的作用。
众所周知，内燃机工作过程中一定伴随着能量损耗，像泵气损失、机械损失、排气损失等，要想让发动机最大程度的“高效”，还需尽量减少上述这些能量损失。
在全新1.5T发动机上采用的电动放气阀涡轮增压器，与之前传统机械泄压阀不同，能够在全工况下去精准控制开启时刻和开度。其所带来的好处是精确且快速地建立涡轮压力，可以有效降低泵气的损失，同时在性能上兼顾低速高扭矩和高速大功率，并增加启动时排气温度，优化催化器起燃和排放。
一面通过高压燃油直喷系统、高滚流气道等技术“狂加”性能，一面借电动放气阀、高效排气系统尽可能“减少”动力损失，落到参数上也就有了更惊艳的表现。
通过不同的调校，全新1.5T发动机的最大功率可达135kW~155kW（相比上代发动机提升26%），尤其是103kW的升功率更是冠绝同排量；扭矩输出范围达至250Nm~270Nm（比上代提升8%），换句话说，更宽泛的峰值扭矩输出范围，也让搭载该动力的车型加速性能及高速驾驶更为从容淡定。
横向对比来看，以市场公认的同排量性能之王本田L15BD 1.5T发动机为例，其最大功率为142kW，最大扭矩243N·m，这样的数据摆在通用全新1.5T发动机面前，已然不太够看。
而按照更加严苛的WLTC工况测试标准，全新1.5T发动机燃油经济性比上代提升6%，且满足目前全球最严苛的加州蒸发排放法规要求，在节能环保方面同样可圈可点。
“智慧内核”，把精准写进DNA
除了功率、扭矩这些可以“论英雄”的参数，这台全新1.5T发动机还通过控制器硬件和软件的全面升级，赋予其智能化内核，用更强算力、更精细的电控能力实现了动力、油耗以及排放表现的全面提升，加速了通用高效内燃机的电控趋势。
就比如ATM主动热管理系统中的热量域控制，通过ECU直接控制电子水泵转速及热管理模块的球阀角度，可以智能、精确控制冷却系统各环路的流量，进而满足对系统热量的精确管理。
它可以实现快速暖机、停机冷却、机和变速箱机油加热、温度分区控制等，提高燃油经济性的同时，全时保护发动机。
不仅如此，在高压喷射系统中也通过ECU实时探测喷油器针阀的运动，从而实现多次精准喷射及喷油小流量精确控制。
换句话说，就是每一秒的燃烧，每一毫米的气门开合，每一处的温度控制，甚至每一次的升级优化都变得更加“智能化”，通过智能加持，真正把精准写进DNA。
当然，全新1.5T发动机想要把“地球梦”真正拉下马，具备领先同排量的性能与节能只是重要前提，耐用性方面才是决胜的关键。实际上，通用工程师们为此也是付出了诸多努力，
为了确保全新1.5T发动机在不同地域不同城市不同路况有始终如一的可靠性，其开发过程中经历了业内最严苛的标定和测试。
在开发过程中，共有452台原型发动机分别在美国米尔福德、丹佛和加拿大卡普斯卡辛，以及中国上海、黑河、吐鲁番等试验基地，测试条件涵盖高寒、高原、高热、高湿、高腐蚀等极端气候环境，累计测试里程近500万公里。
而在前文我们也有提到过，在通用内部，第八代Ecotec全新1.5T发动机项目还有一个极具寓意的代号——“Avatar阿凡达发动机”，在电影《阿凡达》中，它代表了潘多拉星球上那些能够自我进化与提升的智慧生物。
可以看到的是，在电动车大踏步走来的时代，通用汽车试图用自己的执拗和技术底蕴，以及对速度和环保的一腔热情，为几乎已经原地踏步的内燃机世界带来了新的方向感。全新1.5T发动机，不仅延续着第八代Ecotec发动机系列“高性能、高效能、高耐久”等优势基因，同时通过全方位进阶使其更具“智慧底色”。
