控制閥內件磨損分析

控制閥內件磨損分析

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

    流體對閥門內件（主要是閥座、閥芯）的磨損、侵蝕一般有以下幾種形式：

   1）腐蝕性介質對閥內件的侵蝕；
    2）顆粒性介質造成的磨損；
    3）液體發生氣蝕、閃蒸時，造成的閥內件毀壞；
    4）高流速液體沖擊對閥門內件的損壞。

    比較前三者而言，氣蝕、閃蒸對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、腐蝕性介質對閥內件的侵蝕

   腐蝕性介質對閥內件的侵蝕其實是介質對閥門造成傷害的一個方面，因為對于腐蝕性介質而言，閥門內腔接液面同樣會受到損害。以下3種工況的閥門選擇應慎重：

   1）腐蝕性介質中含有顆粒的情況，許多金屬不受腐蝕是因為它們的表面形成了一層保護膜。當閥門在有磨損的場合中使用時，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行。

   2）腐蝕性液體在控制閥內部發生氣蝕、閃蒸的情況，這種工況對閥門及內件造成的損害會非常大，液體氣蝕過程中氣泡破裂對閥內件接觸面的損害要遠遠超過上述顆粒的損害性，因為氣蝕會“吃掉”內件，同時腐蝕內件。對于氣蝕現象，在下面會詳細介紹。

   3）高溫、高壓腐蝕性介質工況，這種情況下選用內襯結構的閥門相應會受到限制，閥體、內件應主要考慮貴金屬，例如：蒙乃爾合金、鎳、鈦、哈氏合金、鉭材等。而此時閥門的價格、交貨期通常對用戶來說是一個考驗。

   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襯材料，PTFE柔韌性比PFA好，PFA較硬，在溫度使用范圍內，基本上PTFE內襯工況能滿足的場合、介質，使用PFA也能達到同樣的使用目的，但對于丁二烯是個例外，PFA對它的耐腐蝕性能要比PTFE強。從生產成本上分析，PFA內襯閥造價低于PTFE內襯相同結構的閥門，因為制造內襯的工藝過程不同。除此之外還有一些防腐橡膠也可作為內襯材料。

 二、顆粒性介質造成的磨損

   顆粒性介質造成的磨損是指比閥內件表面硬的無數微小顆粒摻雜在高速流體中流動，撞擊并沖刷閥內件的金屬。當含有高濃度顆粒的介質流經閥門時，閥芯和閥座密封面在每次關閉時彼此間要嚴重地摩擦，密封接合處常常由于壓碎顆粒、發生磨損而關不嚴閥門，時間久了，對內件會造成更大的損害。消除、減少磨損的方法或把磨損轉移到非關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能有關，對于高黏度的流體，由于在顆粒和閥內件之間很容易建立一種“緩沖效應”，可以減少磨損。評價耐顆粒沖擊磨損，閥內件的硬度不是惟一準則，對閥內件磨損、破壞程度的分析要考慮介質中顆粒的大小，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對閥門造成的磨損：

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

   2）介質采用流線型的流動來防止閥內件受到顆粒的直接沖擊。要做到這一點，流體流動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，應用流體附著和脫離原理來保護閥芯、閥座。這些因素主要應由閥門設計者來考慮，但是用戶和選型工程師在選擇閥內件型式和閥體結構時也不應該忽視了這一點。

      三、液體發生氣蝕、閃蒸時造成的閥內件毀壞

   氣蝕在國內又被稱作空化，是指當液體介質流經閥門縮流處時，介質的壓力小于該液體在該溫度下的飽和蒸氣壓，蒸氣氣泡在節流件下游側形成，流體在節流件的下游側擴大的流動通道中流速降低，壓力恢復的結果使氣泡破裂。氣蝕過程見圖3。

   對于氣泡壓碎的沖擊力造成閥內件嚴重損壞，沒有已知的材料能經得起連續的、嚴重的氣蝕條件而不損壞，因為沖擊力達到或超過了硬化的閥內件或者非常硬的碳化鎢深護層的屈服強度。所以即使是輕微的氣蝕，如果是連續的，最終仍將損壞常規的閥內件。

   因此使用硬化的閥內件來經受較強烈的氣蝕，即使是最硬的閥內件，在嚴重的氣蝕場合，應該有計劃地定期更換閥內件。表1所列的閥內件材料是使用于氣蝕場合，按照耐氣蝕能力逐漸增加的順序來排列的Rc（硬度）。

    降低閥內件的氣蝕磨損，可以有如下的方法：

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

   近年來，對于抗氣蝕結構閥門的討論是一個熱門話題，國內的控制閥廠家對此也越來越重視，了解比較一下世界知名閥門制造商產品的更新過程，不難發現均非常重視這個領域的產品開發，并且陸續推出一些更新的抗氣蝕型閥門產品，見圖4所示。

表1 70°F各種材質的Rc

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

   1）對于液體壓差較大的控制場合，應選用高X_FZ值閥門（見圖5所示），盡量防止氣蝕、閃蒸現象發生，以減少對閥內件的磨損，X_FZ為閥門結構參數且

    X_FZ=（P₁-P₂）/（P₁- P_vc）

    2）根據工藝參數及pv計算實際的差壓比系數X_F

    X_F=（P₁-P₂）/（P₁- P_v）

   3）如果X_F>X_FZ，將開始發生氣蝕并伴有噪音產生，不過這時的初始氣蝕對閥內件的磨損危害不大。
   4）當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），將發生嚴重氣蝕并伴有大量氣泡爆裂，對內件造成損害。
   5）當X_F>K_C并且ЗP>ЗP_{crit，cav}時，嚴重氣蝕，閥門內件將受到重度損害。
   6）當X_F>1時，流體將發生閃蒸現象，閃蒸對閥門內件造成的損害程度要比氣蝕的危害小，產生的噪音也低一些。

   圖6、圖7為一實例（介質為水，通過泵把介質輸送到罐內），根據不同的差壓和流量，在圖中可清楚地分析出閥門發生氣蝕、閃蒸的區域，對于出現初始氣蝕現象的區域及工況，一般選擇普通閥門和加硬的閥內件即可，如果發生閃蒸，盡可能考慮選擇口徑大一點的閥門，不能用多級軸閥，并且保證閥前、閥后15~20倍閥門口徑的直管段。

   根據VDMA24422標準，液體介質發生氣蝕時對閥內件磨損進行量化，定義差壓比系數Xce為發生氣蝕時閥內件受磨損的低限值，Xce=0.7Zy+0.3，定義X_Fer為內件極易受磨損的壓差比危險系數，并且Xce≤X_Fer≤0.9；同時在計算閥門流量系數及口徑時，閥門出口流速也可作為參考值防止或降低流體對閥門內件的磨損，一般介質的出口流速限制在5m/s，腐蝕性介質流速一般為3m/s，閃蒸介質流速為60m/s；此外還有一些閥門制造廠借助于獨特的結構來大大降低或消除氣蝕，使其能在極高能耗的場合中使用，這種結構引起流體本身自相碰撞，在閥芯與閥座的通道內產生一個高度的擾動。上游側的位能被流體的摩擦阻力（大量的擾動）轉換為熱能�；�本上做到了降低壓力而且沒有壓力恢復，這就減小了氣泡形成區，從而降低或者排除氣蝕的發生而造成的閥內件磨損。

      四、高流速液體沖擊對閥門內件的損壞

   在流路中有時會發生非常高速的流體噴射，引起流體轉向，突然離開某一表面，沖擊并磨蝕鄰近零件。當高速流體形成噴射時，很快會把保護表面的覆蓋層吹掉形成磨損腐蝕。發生這種現象時，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典型的高速磨損的例子。壓力降高達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形狀。套筒閥內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。干燥的氣體和過熱蒸汽引起的磨損很小。

   沖擊磨損簡單地說可以用下述的辦法來使其減少：采用如圖2所示的流線分級型流路閥門；內件加硬；在控制高速蒸汽等場合，閥門入口前盡可能采用疏水閥或疏水器。

作者：張景軒 石磊

來源：互聯網

參考文獻：