控制閥內(nèi)件磨損分析

引言：控制閥在流量控制系統(tǒng)中扮演著重要的角色，由于它被安裝在工藝管道上，不斷地調(diào)節(jié)、控制流量，周而復(fù)始，如果在惡劣工況如高壓差、高溫、含顆粒介質(zhì)等情況下使用，閥門內(nèi)件的磨損毀壞應(yīng)該是意料之中的事情。重要的是用戶應(yīng)該意識(shí)到如何減少、避免這種情況的發(fā)生，而不是一味地追求多買備件、多次進(jìn)行閥門檢修、維護(hù)。

    流體對(duì)閥門內(nèi)件（主要是閥座、閥芯）的磨損、侵蝕一般有以下幾種形式：

   1）腐蝕性介質(zhì)對(duì)閥內(nèi)件的侵蝕；
    2）顆粒性介質(zhì)造成的磨損；
    3）液體發(fā)生氣蝕、閃蒸時(shí)，造成的閥內(nèi)件毀壞；
    4）高流速液體沖擊對(duì)閥門內(nèi)件的損壞。

    比較前三者而言，氣蝕、閃蒸對(duì)閥門的危害程度更大，本文就此將做主要介紹。

（注：圖所示HEP電氣閥門定位器）

 一、腐蝕性介質(zhì)對(duì)閥內(nèi)件的侵蝕

   腐蝕性介質(zhì)對(duì)閥內(nèi)件的侵蝕其實(shí)是介質(zhì)對(duì)閥門造成傷害的一個(gè)方面，因?yàn)閷?duì)于腐蝕性介質(zhì)而言，閥門內(nèi)腔接液面同樣會(huì)受到損害。以下3種工況的閥門選擇應(yīng)慎重：

   1）腐蝕性介質(zhì)中含有顆粒的情況，許多金屬不受腐蝕是因?yàn)樗鼈兊谋砻嫘纬闪艘粚颖Ｗo(hù)膜。當(dāng)閥門在有磨損的場(chǎng)合中使用時(shí)，這層膜很快就被顆粒、流體沖擊或氣蝕磨損掉，而把新鮮的表面暴露在腐蝕性流體中。在這種情況下，腐蝕可以以極快的速度進(jìn)行。

   2）腐蝕性液體在控制閥內(nèi)部發(fā)生氣蝕、閃蒸的情況，這種工況對(duì)閥門及內(nèi)件造成的損害會(huì)非常大，液體氣蝕過(guò)程中氣泡破裂對(duì)閥內(nèi)件接觸面的損害要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)上述顆粒的損害性，因?yàn)闅馕g會(huì)“吃掉”內(nèi)件，同時(shí)腐蝕內(nèi)件。對(duì)于氣蝕現(xiàn)象，在下面會(huì)詳細(xì)介紹。

   3）高溫、高壓腐蝕性介質(zhì)工況，這種情況下選用內(nèi)襯結(jié)構(gòu)的閥門相應(yīng)會(huì)受到限制，閥體、內(nèi)件應(yīng)主要考慮貴金屬，例如：蒙乃爾合金、鎳、鈦、哈氏合金、鉭材等。而此時(shí)閥門的價(jià)格、交貨期通常對(duì)用戶來(lái)說(shuō)是一個(gè)考驗(yàn)。

   目前兩種氟塑料PTFE（聚四氟乙烯）和PFA（全氟烷氧基樹脂，又稱可熔性聚四氟乙烯）是目前使用較為廣泛的兩種耐腐蝕性閥門內(nèi)襯材料，PTFE柔韌性比PFA好，PFA較硬，在溫度使用范圍內(nèi)，基本上PTFE內(nèi)襯工況能滿足的場(chǎng)合、介質(zhì)，使用PFA也能達(dá)到同樣的使用目的，但對(duì)于丁二烯是個(gè)例外，PFA對(duì)它的耐腐蝕性能要比PTFE強(qiáng)。從生產(chǎn)成本上分析，PFA內(nèi)襯閥造價(jià)低于PTFE內(nèi)襯相同結(jié)構(gòu)的閥門，因?yàn)橹圃靸?nèi)襯的工藝過(guò)程不同。除此之外還有一些防腐橡膠也可作為內(nèi)襯材料。

 二、顆粒性介質(zhì)造成的磨損

   顆粒性介質(zhì)造成的磨損是指比閥內(nèi)件表面硬的無(wú)數(shù)微小顆粒摻雜在高速流體中流動(dòng)，撞擊并沖刷閥內(nèi)件的金屬。當(dāng)含有高濃度顆粒的介質(zhì)流經(jīng)閥門時(shí)，閥芯和閥座密封面在每次關(guān)閉時(shí)彼此間要嚴(yán)重地摩擦，密封接合處常常由于壓碎顆粒、發(fā)生磨損而關(guān)不嚴(yán)閥門，時(shí)間久了，對(duì)內(nèi)件會(huì)造成更大的損害。消除、減少磨損的方法或把磨損轉(zhuǎn)移到非關(guān)鍵部位的辦法因磨損的形式而異。顆粒沖擊磨損與顆粒的動(dòng)能有關(guān)，對(duì)于高黏度的流體，由于在顆粒和閥內(nèi)件之間很容易建立一種“緩沖效應(yīng)”，可以減少磨損。評(píng)價(jià)耐顆粒沖擊磨損，閥內(nèi)件的硬度不是惟一準(zhǔn)則，對(duì)閥內(nèi)件磨損、破壞程度的分析要考慮介質(zhì)中顆粒的大小，小顆粒造成的損害小一些，顆粒磨損的破壞一般隨流速的平方而增加。

    可用如下方法減少含顆粒性介質(zhì)對(duì)閥門造成的磨損：

   1）選擇高硬度閥內(nèi)件材料或采用內(nèi)襯陶瓷襯里的技術(shù)，但必須保證硬度，且不易受沖擊而脆裂。這將延長(zhǎng)閥門使用周期并防止在一些關(guān)鍵部位的磨損。圖1所示為內(nèi)襯Si3N4陶瓷的偏心控制閥。陶瓷襯里對(duì)溫度變化比較敏感，當(dāng)介質(zhì)溫度驟熱或驟冷變化時(shí)，會(huì)影響陶瓷的使用壽命。

   2）介質(zhì)采用流線型的流動(dòng)來(lái)防止閥內(nèi)件受到顆粒的直接沖擊。要做到這一點(diǎn)，流體流動(dòng)方向必須平行于閥座密封面和閥芯表面，流向必須緩慢地改變，應(yīng)用流體附著和脫離原理來(lái)保護(hù)閥芯、閥座。這些因素主要應(yīng)由閥門設(shè)計(jì)者來(lái)考慮，但是用戶和選型工程師在選擇閥內(nèi)件型式和閥體結(jié)構(gòu)時(shí)也不應(yīng)該忽視了這一點(diǎn)。

      三、液體發(fā)生氣蝕、閃蒸時(shí)造成的閥內(nèi)件毀壞

   氣蝕在國(guó)內(nèi)又被稱作空化，是指當(dāng)液體介質(zhì)流經(jīng)閥門縮流處時(shí)，介質(zhì)的壓力小于該液體在該溫度下的飽和蒸氣壓，蒸氣氣泡在節(jié)流件下游側(cè)形成，流體在節(jié)流件的下游側(cè)擴(kuò)大的流動(dòng)通道中流速降低，壓力恢復(fù)的結(jié)果使氣泡破裂。氣蝕過(guò)程見圖3。

   對(duì)于氣泡壓碎的沖擊力造成閥內(nèi)件嚴(yán)重?fù)p壞，沒有已知的材料能經(jīng)得起連續(xù)的、嚴(yán)重的氣蝕條件而不損壞，因?yàn)闆_擊力達(dá)到或超過(guò)了硬化的閥內(nèi)件或者非常硬的碳化鎢深護(hù)層的屈服強(qiáng)度。所以即使是輕微的氣蝕，如果是連續(xù)的，最終仍將損壞常規(guī)的閥內(nèi)件。

   因此使用硬化的閥內(nèi)件來(lái)經(jīng)受較強(qiáng)烈的氣蝕，即使是最硬的閥內(nèi)件，在嚴(yán)重的氣蝕場(chǎng)合，應(yīng)該有計(jì)劃地定期更換閥內(nèi)件。表1所列的閥內(nèi)件材料是使用于氣蝕場(chǎng)合，按照耐氣蝕能力逐漸增加的順序來(lái)排列的Rc（硬度）。

    降低閥內(nèi)件的氣蝕磨損，可以有如下的方法：

    1）選用最硬的閥內(nèi)件，不過(guò)這是非常被動(dòng)的選擇。
   2）維持足夠的下游側(cè)壓力，使之超過(guò)液體的蒸氣壓，因而防止了在高流速的低壓區(qū)形成氣泡。通常的做法是在閥門出口端加裝抗氣蝕節(jié)流孔板（多孔篩子板結(jié)構(gòu)，孔的大小、數(shù)量視孔板上的差壓而定）。
   3）選用流關(guān)型閥門，在流體自上而下流動(dòng)的高壓角形閥中，采用銳邊的閥座孔，使排出物遠(yuǎn)離閥體的內(nèi)壁。在流體的流束中壓碎氣泡，比在很快地?cái)U(kuò)大的閥座孔和閥體內(nèi)壁壓碎危害性要小些。如果不能做到這一點(diǎn)，可以采用逐漸擴(kuò)大的閥座孔。
   4）使用2臺(tái)閥門串聯(lián)并分配壓降的辦法來(lái)限定閥門的壓力降，在上游側(cè)閥門中的壓力降可以大一些。
   5）使用特殊抗氣蝕結(jié)構(gòu)閥門，例如多級(jí)軸閥，迷宮閥等，通過(guò)限定每級(jí)節(jié)流的壓力降或者提高X_FZ值（閥門固有差壓比系數(shù)），避免氣蝕現(xiàn)象的徹底發(fā)生。

   近年來(lái)，對(duì)于抗氣蝕結(jié)構(gòu)閥門的討論是一個(gè)熱門話題，國(guó)內(nèi)的控制閥廠家對(duì)此也越來(lái)越重視，了解比較一下世界知名閥門制造商產(chǎn)品的更新過(guò)程，不難發(fā)現(xiàn)均非常重視這個(gè)領(lǐng)域的產(chǎn)品開發(fā)，并且陸續(xù)推出一些更新的抗氣蝕型閥門產(chǎn)品，見圖4所示。

表1 70°F各種材質(zhì)的Rc

    在圖4中a）、b）為多級(jí)軸結(jié)構(gòu)閥門，c）是一種采用新型AC-TRIM技術(shù)的抗氣蝕結(jié)構(gòu)的閥門，它克服了其他一些廠家同類產(chǎn)品例如迷宮閥，多通路閥易堵的缺點(diǎn)，閥座、閥芯密封面采用專利技術(shù)，具有高X_FZ值，根據(jù)需要在閥座腔內(nèi)還可選配1到4組降壓孔板（一般針對(duì)口徑在3″~6″范圍內(nèi)，1″=25.4mm），此外，閥桿下導(dǎo)向具有很好的抗振效果。根據(jù)IEC534/VDMA24422標(biāo)準(zhǔn)，可利用如下判式對(duì)氣蝕發(fā)生與否及閥門磨損情況進(jìn)行分析。

   1）對(duì)于液體壓差較大的控制場(chǎng)合，應(yīng)選用高X_FZ值閥門（見圖5所示），盡量防止氣蝕、閃蒸現(xiàn)象發(fā)生，以減少對(duì)閥內(nèi)件的磨損，X_FZ為閥門結(jié)構(gòu)參數(shù)且

    X_FZ=（P₁-P₂）/（P₁- P_vc）

    2）根據(jù)工藝參數(shù)及pv計(jì)算實(shí)際的差壓比系數(shù)X_F

    X_F=（P₁-P₂）/（P₁- P_v）

   3）如果X_F>X_FZ，將開始發(fā)生氣蝕并伴有噪音產(chǎn)生，不過(guò)這時(shí)的初始?xì)馕g對(duì)閥內(nèi)件的磨損危害不大。
   4）當(dāng)X_F>K_C（一些參考書上也定義為：X_F>1.5X_FZ，K_C--氣蝕指數(shù)），將發(fā)生嚴(yán)重氣蝕并伴有大量氣泡爆裂，對(duì)內(nèi)件造成損害。
   5）當(dāng)X_F>K_C并且ЗP>ЗP_crit，cav時(shí)，嚴(yán)重氣蝕，閥門內(nèi)件將受到重度損害。
   6）當(dāng)X_F>1時(shí)，流體將發(fā)生閃蒸現(xiàn)象，閃蒸對(duì)閥門內(nèi)件造成的損害程度要比氣蝕的危害小，產(chǎn)生的噪音也低一些。

   圖6、圖7為一實(shí)例（介質(zhì)為水，通過(guò)泵把介質(zhì)輸送到罐內(nèi)），根據(jù)不同的差壓和流量，在圖中可清楚地分析出閥門發(fā)生氣蝕、閃蒸的區(qū)域，對(duì)于出現(xiàn)初始?xì)馕g現(xiàn)象的區(qū)域及工況，一般選擇普通閥門和加硬的閥內(nèi)件即可，如果發(fā)生閃蒸，盡可能考慮選擇口徑大一點(diǎn)的閥門，不能用多級(jí)軸閥，并且保證閥前、閥后15~20倍閥門口徑的直管段。

   根據(jù)VDMA24422標(biāo)準(zhǔn)，液體介質(zhì)發(fā)生氣蝕時(shí)對(duì)閥內(nèi)件磨損進(jìn)行量化，定義差壓比系數(shù)Xce為發(fā)生氣蝕時(shí)閥內(nèi)件受磨損的低限值，Xce=0.7Zy+0.3，定義X_Fer為內(nèi)件極易受磨損的壓差比危險(xiǎn)系數(shù)，并且Xce≤X_Fer≤0.9；同時(shí)在計(jì)算閥門流量系數(shù)及口徑時(shí)，閥門出口流速也可作為參考值防止或降低流體對(duì)閥門內(nèi)件的磨損，一般介質(zhì)的出口流速限制在5m/s，腐蝕性介質(zhì)流速一般為3m/s，閃蒸介質(zhì)流速為60m/s；此外還有一些閥門制造廠借助于獨(dú)特的結(jié)構(gòu)來(lái)大大降低或消除氣蝕，使其能在極高能耗的場(chǎng)合中使用，這種結(jié)構(gòu)引起流體本身自相碰撞，在閥芯與閥座的通道內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)高度的擾動(dòng)。上游側(cè)的位能被流體的摩擦阻力（大量的擾動(dòng)）轉(zhuǎn)換為熱能�；�本上做到了降低壓力而且沒有壓力恢復(fù)，這就減小了氣泡形成區(qū)，從而降低或者排除氣蝕的發(fā)生而造成的閥內(nèi)件磨損。

      四、高流速液體沖擊對(duì)閥門內(nèi)件的損壞

   在流路中有時(shí)會(huì)發(fā)生非常高速的流體噴射，引起流體轉(zhuǎn)向，突然離開某一表面，沖擊并磨蝕鄰近零件。當(dāng)高速流體形成噴射時(shí)，很快會(huì)把保護(hù)表面的覆蓋層吹掉形成磨損腐蝕。發(fā)生這種現(xiàn)象時(shí)，流速一般在每秒幾百英尺（1英尺=0.3048m）。

   鍋爐給水泵的旁路閥是一個(gè)典型的高速磨損的例子。壓力降高達(dá)4600psi（1Psi=6894.76Pa），流體的沖擊可能沖掉柱塞式閥芯的突出部分，或者在閥芯的表面上切割成特有的流動(dòng)形狀。套筒閥內(nèi)件是有助于改善這種情況的，但不能完全消除沖擊磨損。

   液滴夾雜在蒸汽中也會(huì)引起沖擊磨損。然而是分散地噴灑在較大的范圍。干燥的氣體和過(guò)熱蒸汽引起的磨損很小。

   沖擊磨損簡(jiǎn)單地說(shuō)可以用下述的辦法來(lái)使其減少：采用如圖2所示的流線分級(jí)型流路閥門；內(nèi)件加硬；在控制高速蒸汽等場(chǎng)合，閥門入口前盡可能采用疏水閥或疏水器。

作者：張景軒 石磊

來(lái)源：互聯(lián)網(wǎng)

參考文獻(xiàn)：