控制阀内件磨损分析

控制阀内件磨损分析

引言：控制阀在流量控制系统中扮演着重要的角色，由于它被安装在工艺管道上，不断地调节、控制流量，周而复始，如果在恶劣工况如高压差、高温、含颗粒介质等情况下使用，阀门内件的磨损毁坏应该是意料之中的事情。重要的是用户应该意识到如何减少、避免这种情况的发生，而不是一味地追求多买备件、多次进行阀门检修、维护。

    流体对阀门内件（主要是阀座、阀芯）的磨损、侵蚀一般有以下几种形式：

   1）腐蚀性介质对阀内件的侵蚀；
    2）颗粒性介质造成的磨损；
    3）液体发生气蚀、闪蒸时，造成的阀内件毁坏；
    4）高流速液体冲击对阀门内件的损坏。

    比较前三者而言，气蚀、闪蒸对阀门的危害程度更大，本文就此将做主要介绍。

（注：图所示HEP电气阀门定位器）

 一、腐蚀性介质对阀内件的侵蚀

   腐蚀性介质对阀内件的侵蚀其实是介质对阀门造成伤害的一个方面，因为对于腐蚀性介质而言，阀门内腔接液面同样会受到损害。以下3种工况的阀门选择应慎重：

   1）腐蚀性介质中含有颗粒的情况，许多金属不受腐蚀是因为它们的表面形成了一层保护膜。当阀门在有磨损的场合中使用时，这层膜很快就被颗粒、流体冲击或气蚀磨损掉，而把新鲜的表面暴露在腐蚀性流体中。在这种情况下，腐蚀可以以极快的速度进行。

   2）腐蚀性液体在控制阀内部发生气蚀、闪蒸的情况，这种工况对阀门及内件造成的损害会非常大，液体气蚀过程中气泡破裂对阀内件接触面的损害要远远超过上述颗粒的损害性，因为气蚀会“吃掉”内件，同时腐蚀内件。对于气蚀现象，在下面会详细介绍。

   3）高温、高压腐蚀性介质工况，这种情况下选用内衬结构的阀门相应会受到限制，阀体、内件应主要考虑贵金属，例如：蒙乃尔合金、镍、钛、哈氏合金、钽材等。而此时阀门的价格、交货期通常对用户来说是一个考验。

   目前两种氟塑料PTFE（聚四氟乙烯）和PFA（全氟烷氧基树脂，又称可熔性聚四氟乙烯）是目前使用较为广泛的两种耐腐蚀性阀门内衬材料，PTFE柔韧性比PFA好，PFA较硬，在温度使用范围内，基本上PTFE内衬工况能满足的场合、介质，使用PFA也能达到同样的使用目的，但对于丁二烯是个例外，PFA对它的耐腐蚀性能要比PTFE强。从生产成本上分析，PFA内衬阀造价低于PTFE内衬相同结构的阀门，因为制造内衬的工艺过程不同。除此之外还有一些防腐橡胶也可作为内衬材料。

 二、颗粒性介质造成的磨损

   颗粒性介质造成的磨损是指比阀内件表面硬的无数微小颗粒掺杂在高速流体中流动，撞击并冲刷阀内件的金属。当含有高浓度颗粒的介质流经阀门时，阀芯和阀座密封面在每次关闭时彼此间要严重地摩擦，密封接合处常常由于压碎颗粒、发生磨损而关不严阀门，时间久了，对内件会造成更大的损害。消除、减少磨损的方法或把磨损转移到非关键部位的办法因磨损的形式而异。颗粒冲击磨损与颗粒的动能有关，对于高黏度的流体，由于在颗粒和阀内件之间很容易建立一种“缓冲效应”，可以减少磨损。评价耐颗粒冲击磨损，阀内件的硬度不是惟一准则，对阀内件磨损、破坏程度的分析要考虑介质中颗粒的大小，小颗粒造成的损害小一些，颗粒磨损的破坏一般随流速的平方而增加。

    可用如下方法减少含颗粒性介质对阀门造成的磨损：

   1）选择高硬度阀内件材料或采用内衬陶瓷衬里的技术，但必须保证硬度，且不易受冲击而脆裂。这将延长阀门使用周期并防止在一些关键部位的磨损。图1所示为内衬Si3N4陶瓷的偏心控制阀。陶瓷衬里对温度变化比较敏感，当介质温度骤热或骤冷变化时，会影响陶瓷的使用寿命。

   2）介质采用流线型的流动来防止阀内件受到颗粒的直接冲击。要做到这一点，流体流动方向必须平行于阀座密封面和阀芯表面，流向必须缓慢地改变，应用流体附着和脱离原理来保护阀芯、阀座。这些因素主要应由阀门设计者来考虑，但是用户和选型工程师在选择阀内件型式和阀体结构时也不应该忽视了这一点。

      三、液体发生气蚀、闪蒸时造成的阀内件毁坏

   气蚀在国内又被称作空化，是指当液体介质流经阀门缩流处时，介质的压力小于该液体在该温度下的饱和蒸气压，蒸气气泡在节流件下游侧形成，流体在节流件的下游侧扩大的流动通道中流速降低，压力恢复的结果使气泡破裂。气蚀过程见图3。

   对于气泡压碎的冲击力造成阀内件严重损坏，没有已知的材料能经得起连续的、严重的气蚀条件而不损坏，因为冲击力达到或超过了硬化的阀内件或者非常硬的碳化钨深护层的屈服强度。所以即使是轻微的气蚀，如果是连续的，最终仍将损坏常规的阀内件。

   因此使用硬化的阀内件来经受较强烈的气蚀，即使是最硬的阀内件，在严重的气蚀场合，应该有计划地定期更换阀内件。表1所列的阀内件材料是使用于气蚀场合，按照耐气蚀能力逐渐增加的顺序来排列的Rc（硬度）。

    降低阀内件的气蚀磨损，可以有如下的方法：

    1）选用最硬的阀内件，不过这是非常被动的选择。
   2）维持足够的下游侧压力，使之超过液体的蒸气压，因而防止了在高流速的低压区形成气泡。通常的做法是在阀门出口端加装抗气蚀节流孔板（多孔筛子板结构，孔的大小、数量视孔板上的差压而定）。
   3）选用流关型阀门，在流体自上而下流动的高压角形阀中，采用锐边的阀座孔，使排出物远离阀体的内壁。在流体的流束中压碎气泡，比在很快地扩大的阀座孔和阀体内壁压碎危害性要小些。如果不能做到这一点，可以采用逐渐扩大的阀座孔。
   4）使用2台阀门串联并分配压降的办法来限定阀门的压力降，在上游侧阀门中的压力降可以大一些。
   5）使用特殊抗气蚀结构阀门，例如多级轴阀，迷宫阀等，通过限定每级节流的压力降或者提高X_FZ值（阀门固有差压比系数），避免气蚀现象的彻底发生。

   近年来，对于抗气蚀结构阀门的讨论是一个热门话题，国内的控制阀厂家对此也越来越重视，了解比较一下世界知名阀门制造商产品的更新过程，不难发现均非常重视这个领域的产品开发，并且陆续推出一些更新的抗气蚀型阀门产品，见图4所示。

表1 70°F各种材质的Rc

    在图4中a）、b）为多级轴结构阀门，c）是一种采用新型AC-TRIM技术的抗气蚀结构的阀门，它克服了其他一些厂家同类产品例如迷宫阀，多通路阀易堵的缺点，阀座、阀芯密封面采用专利技术，具有高X_FZ值，根据需要在阀座腔内还可选配1到4组降压孔板（一般针对口径在3″~6″范围内，1″=25.4mm），此外，阀杆下导向具有很好的抗振效果。根据IEC534/VDMA24422标准，可利用如下判式对气蚀发生与否及阀门磨损情况进行分析。

   1）对于液体压差较大的控制场合，应选用高X_FZ值阀门（见图5所示），尽量防止气蚀、闪蒸现象发生，以减少对阀内件的磨损，X_FZ为阀门结构参数且

    X_FZ=（P₁-P₂）/（P₁- P_vc）

    2）根据工艺参数及pv计算实际的差压比系数X_F

    X_F=（P₁-P₂）/（P₁- P_v）

   3）如果X_F>X_FZ，将开始发生气蚀并伴有噪音产生，不过这时的初始气蚀对阀内件的磨损危害不大。
   4）当X_F>K_C（一些参考书上也定义为：X_F>1.5X_FZ，K_C--气蚀指数），将发生严重气蚀并伴有大量气泡爆裂，对内件造成损害。
   5）当X_F>K_C并且ЗP>ЗP_crit，cav时，严重气蚀，阀门内件将受到重度损害。
   6）当X_F>1时，流体将发生闪蒸现象，闪蒸对阀门内件造成的损害程度要比气蚀的危害小，产生的噪音也低一些。

   图6、图7为一实例（介质为水，通过泵把介质输送到罐内），根据不同的差压和流量，在图中可清楚地分析出阀门发生气蚀、闪蒸的区域，对于出现初始气蚀现象的区域及工况，一般选择普通阀门和加硬的阀内件即可，如果发生闪蒸，尽可能考虑选择口径大一点的阀门，不能用多级轴阀，并且保证阀前、阀后15~20倍阀门口径的直管段。

   根据VDMA24422标准，液体介质发生气蚀时对阀内件磨损进行量化，定义差压比系数Xce为发生气蚀时阀内件受磨损的低限值，Xce=0.7Zy+0.3，定义X_Fer为内件极易受磨损的压差比危险系数，并且Xce≤X_Fer≤0.9；同时在计算阀门流量系数及口径时，阀门出口流速也可作为参考值防止或降低流体对阀门内件的磨损，一般介质的出口流速限制在5m/s，腐蚀性介质流速一般为3m/s，闪蒸介质流速为60m/s；此外还有一些阀门制造厂借助于独特的结构来大大降低或消除气蚀，使其能在极高能耗的场合中使用，这种结构引起流体本身自相碰撞，在阀芯与阀座的通道内产生一个高度的扰动。上游侧的位能被流体的摩擦阻力（大量的扰动）转换为热能。基本上做到了降低压力而且没有压力恢复，这就减小了气泡形成区，从而降低或者排除气蚀的发生而造成的阀内件磨损。

      四、高流速液体冲击对阀门内件的损坏

   在流路中有时会发生非常高速的流体喷射，引起流体转向，突然离开某一表面，冲击并磨蚀邻近零件。当高速流体形成喷射时，很快会把保护表面的覆盖层吹掉形成磨损腐蚀。发生这种现象时，流速一般在每秒几百英尺（1英尺=0.3048m）。

   锅炉给水泵的旁路阀是一个典型的高速磨损的例子。压力降高达4600psi（1Psi=6894.76Pa），流体的冲击可能冲掉柱塞式阀芯的突出部分，或者在阀芯的表面上切割成特有的流动形状。套筒阀内件是有助于改善这种情况的，但不能完全消除冲击磨损。

   液滴夹杂在蒸汽中也会引起冲击磨损。然而是分散地喷洒在较大的范围。干燥的气体和过热蒸汽引起的磨损很小。

   冲击磨损简单地说可以用下述的办法来使其减少：采用如图2所示的流线分级型流路阀门；内件加硬；在控制高速蒸汽等场合，阀门入口前尽可能采用疏水阀或疏水器。

作者：张景轩 石磊

来源：互联网

参考文献：