調(diào)節(jié)閥內(nèi)件的磨損

    調(diào)節(jié)閥是流量控制系統(tǒng)中的活動部件,不斷地節(jié)流和經(jīng)常地切斷流量;所以,在惡劣的條件下使用,閥內(nèi)件磨損是預料到的問題。由于磨損，閥內(nèi)件的更換方便是調(diào)節(jié)閥設計中應考慮的重要事項。

    閥芯和閥座材料的磨損引起閥門泄漏，改變了流量特性，如果發(fā)生嚴重磨損，會形成一條新流路并可能穿透閥體的壁。

    顆粒沖擊磨損與其說和顆粒的動量有關，不如澄與磨耗顆粒的動能有關。輸送高粘度的流體，由于在顆粒和閥內(nèi)件之間建立了“緩沖效應”，可以減少磨損。評價耐顆粒沖擊磨損，閥內(nèi)件的硬度不是*準則。小磨耗顆粒造成的磨損比大顆粒造成的磨損要小些，磨損的破壞一般地說是隨流速的平方而增加的。

    有四種磨損的基本形式：(1)磨耗顆粒；(2)氣蝕：(3)磨損腐蝕作用；(4)高流速液體的沖擊。消除、減少磨損的方法或把磨損轉(zhuǎn)移非關鍵部分的辦法是隨著磨損的形式而異的。

磨耗顆粒的磨損  比閥內(nèi)件表面硬的無數(shù)微小顆粒_炎帶在高速流體中流動，撞擊并沖刷掉閥內(nèi)件的金屬。含有高濃度磨耗顆位的懸浮液．使閥芯和閥座接合面在每次關閉時彼此嚴重地磨擦。}閥座接合面常常由于壓碎顆粒和發(fā)生磨損而關不嚴。

磨耗性磨損可用下述方法使其減少：

    1)選擇閥內(nèi)件材料或閻內(nèi)件帶一層比磨耗顆粒更硬的表面．但是它必須很硬，不易受沖擊而脆裂。這將延長磨損周期并防止在一些關鍵部位的磨耗。

    2)用流線型的流動來防止在閥內(nèi)件上受顆粒的直接沖擊。要做到這一點，流體必須平行于閥座接合面和悶芯柱塞表面流動。流向必須綏慢地改變，還必須應用流體附著和脫離原理來保護閥芯和閥座接合面部分。這些因素由閥門設計人員來處理，但是用戶和制造廠的應用工程師在選擇閥內(nèi)件型式和閥體式樣中起重要的作用，協(xié)助實現(xiàn)這些工作原理。

    閥門的設計人員采用若干技術來開發(fā)和改進流動的形式，以減少磨損。采用一半和實尺模型的透明塑料的閥體對流動情況進行研究是經(jīng)常使用的辦法。由空氣中混入煙氣，或是在水中加入鋁絨屑，或注入帶顏色的流體來顯示出流動的形式。用改變閥內(nèi)件和閥體的形狀來減少直接的沖擊、消除渦流及減小壓力降。做一下這樣的實驗來確定*終的磨損位置，其方法是使用含沙量很高的流體，通過閥門進行循環(huán)，在這種情況下由機工在閥內(nèi)件上涂刷一層藍色的覆蓋層。磨損的情況經(jīng)幾分鐘的功夫就可以看得見，進一步的變革可能需要建立一個統(tǒng)一的磨損率和減少在閥座接合面上的磨損。完成這個實驗后，還需要做幾天沖刷磨蝕金屬的實驗來驗證結構變革。高壓降排放動力節(jié)流試驗可以包括磨耗顆粒尺寸大小的范圍，該范圍中包括豆粒大小的碎砂石。這是真實地驗證了耐沖擊的情況。

    1）在圖14中，利用流體的附著和脫離來大大地減少閥座接合面的磨損率。

    3）在圖16中，套筒使液體沿著閥座更均勻地分布，從而獲得了更長的使用壽命和更均勻的磨損。

    采用狹窄的閥座接合面來限制顆粒附著在閥體的關閉件上，并使其有足夠的閥座力來壓碎附著在上面的較大的顆粒，使磨蝕的磨損更進一步地減少。例如，在1/4～2英寸的閥座口直徑中，采用0.015～0.030英寸的接合面寬度。

    對于處理懸浮液的閥內(nèi)件，推薦的壓力降極限（圖17）。





閥內(nèi)件的氣蝕磨損高速的帶壓液體流動，在節(jié)流下通過閥門，壓力變成小于該液體在那個溫度下的蒸氣壓，隨時都有可能產(chǎn)生氣蝕。

    當碰到這種情況，蒸氣氣泡在節(jié)流件下游測形成。流體在節(jié)流件的下游側(cè)擴大的流動通道中降低了流速．壓力恢復的結果使氣泡破裂。氣泡壓碎的沖擊力成為閥內(nèi)件嚴重損壞的原因。在*六章中將作更為詳細的介紹。

    沒有已知的材料能經(jīng)得起連續(xù)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(nèi)件或者非常硬的碳化鎢深護層的屈服強度。所以在氣蝕條件下使用的閥內(nèi)件,*主要的要**容易更換。即使是輕微的氣蝕，如果是連續(xù)的，*終仍將損壞常規(guī)的閥內(nèi)件。

    要求使用硬化的閥內(nèi)件來經(jīng)受較強烈的氣蝕，即使是*硬的閥內(nèi)件，在嚴重的氣蝕下特要求有計劃地定期更換閥內(nèi)件。

    下列的閥內(nèi)件材料是使用于氣蝕場合，是按照耐氣蝕能力逐漸增加的順序來排列的Rc(硬度)。

    降低選定的閥內(nèi)件的氣蝕磨損，可以有如下的方法：

    1)選用*硬的閥內(nèi)件是可行的，不會由于閥門關閉的反復碰掩和熱沖擊而使閥內(nèi)件破裂。

    2)維持足夠的下游側(cè)壓力，使之超過液镕的蒸氣壓，因而防止了在高流速的低壓區(qū)形成氣泡。水在120。F及壓力降為3000磅／英寸2時，下游側(cè)的壓力通常為50～100磅／英寸²，這將大大地降低氣蝕損害。這是可以作到的，可在閥門的下游側(cè)安裝一個閥后壓力調(diào)節(jié)器或者裝一個比閥座小的極硬的節(jié)流孔板。

    3)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(nèi)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(nèi)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)使用兩個閥門串聯(lián)并在其問分配壓降的辦法來限定閥門的壓力降，在上游側(cè)閥門中的壓力降可以大一些。

    5)使用特殊的閥門，含有多級節(jié)流及向里彎曲的流路，而且限定通過每次節(jié)流的壓力降。

    特殊的閥內(nèi)件結構是適用于氣蝕使用的。一些閥門制造廠借助于獨特的結構來大大地降低或消除氣蝕，可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(nèi)產(chǎn)生一個高度的擾動。上游側(cè)的位能，由閥門任意節(jié)流的入口壓力來表示，被流體的摩擦阻力(大量的擾動)轉(zhuǎn)換為熱能?；旧献龅搅私档蛪毫Χ覜]有壓力恢復，這就減小了低壓力及氣泡形成區(qū)。其他的結構是在閥座孔的下游側(cè)具有大的強制增壓，允許氣泡壓碎在流體的流束中，而不是在閥體的內(nèi)壁上。五種結構用插圖說明于圖18、19、20、21和34 c中。

(a)帶分流孔的套筒結構

    分流孔引起流體中的擾動，并從對面的孔中噴射沖擊。閥座環(huán)和出口管具有同樣的內(nèi)徑，以防止閥座下淳側(cè)的壓力恢復。設計成功地運用于口徑1～18英寸。

(b)帶分流孔的閥芯

(c)在套筒上的臺階孔

圖18減少氣蝕的套筒孔結構

(a)渦輪串聯(lián)式調(diào)節(jié)閥

    從這**到下**在每**內(nèi)產(chǎn)生流體旋渦,可以處理100磅/英寸²流體沿著閥芯的螺旋形槽溝流動,流體通過槽溝通誘導90度,由于離心而背離閥體保護層的內(nèi)壁,氣蝕蒸氣的氣泡趨向于保留在主流束中而遠離閥內(nèi)壁,雖然它比流體輕.這種設計已用于調(diào)節(jié)鍋爐給水泵的旁路。

（b)串聯(lián)流節(jié)流孔

    高壓降流體中使用的磨耗和氣蝕磨損，在這種閥的設計中實際上是被消除了，在多級小臺階中降壓，它比通用的閥門維持更低的流速。通用的單座閥平均動壓頭損失系數(shù)為0.8，而這種設計具有20的K值，因為流過的流體受到連續(xù)的旋轉(zhuǎn)（壓頭損失H=V²/2g）。每級閥座口按通用閥的經(jīng)驗，似乎僅有5%的壓力降。節(jié)流過程幾乎可以認為是等焓流。摩擦阻力更像在一根長管線上的壓力降。長導向被限制在圓周的4個拐彎處，防止當流動的顆粒夾帶液體時擠住。在口徑為1/2″～2″時，工作壓力范圍達6000磅/英寸²，流通能力為通用低壓降閥門的1/16～1/4，可以采用聚四氟乙烯做成的軟閥座結構，用于滴漏嚴密關閉。圖74f就是一個例子。

圖19 用于串聯(lián)控制流量的兩種結構

磨損腐蝕  許多金屬不受腐蝕，因為它們的表面形成一層保護膜。在有磨損的場合中的使用閥門，這層膜很快就被磨蝕顆粒、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，磨損腐蝕可以以極快的速度進行。應當記住，腐蝕是一個極為復雜的現(xiàn)象．而且在腐蝕性介質(zhì)中，簡單的規(guī)則不能代替實際的閥門使用的歷程。

    閥內(nèi)件使用許多貴重的金屬可以減小磨損腐蝕，例如：蒙乃爾合金、鎳、鈦、哈氏合金或杜里默特不銹鋼。對于一般的應用和耐工藝流體腐蝕的閥內(nèi)件材料，參考在附錄中給出的閥內(nèi)件材料表。

    在四氟乙烯與六氟丙烯共聚物(FEP)襯里的閥體中，聚四氟乙烯閥內(nèi)件是*圓滿的耐腐蝕閥門，可適用于2英寸口徑，壓力等級為ANSI標準中規(guī)定的150磅，使用溫度一20～300℉。FEP襯里通常是把它固定在碳鋼閥體的里邊。閥芯和閥座是由聚四氟乙烯制成的，可以在聚四氟乙烯中填充玻璃絲來提高穩(wěn)定性。適用于工藝流體的合金閥桿由制造廠提供。

    下表列出的是耐電化腐蝕的閥內(nèi)件材料，是按照*容易被腐蝕(陽極)到*少受腐蝕(陰極)的順序排列的。銅和鉑是作為基準。

    閥內(nèi)件和閥體材料之間的電解電位差是較高的，與上表中它們的單個材料相比是更大些。所以腐蝕速率是高于電化銹蝕作用。閥體面積較大，可用來承受腐蝕，使之不致出現(xiàn)嚴重的問題，因為閥體是作為犧牲的部件。技術規(guī)范為這種腐蝕規(guī)定了一個許用的閥體壁厚。

高速流體的沖擊磨損  在流路中有時會發(fā)生非常高速度的流體噴射，引起了流體突然轉(zhuǎn)向，一下子離開某一表面，沖擊并磨蝕鄰近零件。沖擊磨損可能形成磨損腐蝕，因此，當高速流體形成噴射時，很快就會把保護表面的覆蓋層吹掉。發(fā)生沖擊磨損，流體通過閥與閥芯之座間的流通面積時的平均流速必須超過每秒幾百英尺。

    鍋爐給水泵的旁路閥是一個典型的高速磨損的例子。高的壓力降，達4600磅/英寸²，閥門拿來這種場合下使用，往往氣蝕閥座接合面，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(nèi)件是有助于改善這種情況的，但不能完全消除沖擊磨損。

    液滴夾雜在蒸氣流速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。

    沖擊磨損如圖22中所說明的，可以用下述的辦法來使其減少：

    （1）流線型的流路；

    （2）使用硬的閥內(nèi)件；

    （3）在進入閥體之前從流體的流束中分離出夾帶的液滴。

    1）單座，柱塞式閥芯，角形閥體，流體自上而下地流過閥芯。流體從寬敞的四周加到閥座的入口，流體逐漸改變流向進入節(jié)流區(qū)，降低了入口聽流速和磨蝕的磨損。流體排出的形狀導致*小的氣蝕損害。采用長彎曲型的角形閥體可能是有利的。

    2）單座，柱塞式閥芯，球形閥體。在閥體內(nèi)壓力恢復，加劇了氣蝕損害。

    3）單座，V形口閥芯，球形閥體。流體的噴射作用在低行程時可能磨損閥體的內(nèi)壁。

    4）雙座，柱塞式閥芯，球形閥體。閥芯導向桿易受到嚴重的磨損。

    5）雙座，V形口閥芯，球形閥體。和上述*3和4項的結果相同。

    6）多槽閥芯。閥座磨損集中在很小的一段，不是令人滿意的。

    在中等的壓降下，彈性材料襯里的閥體和閥芯給出極好的結果。陶瓷的閥內(nèi)件也是極為耐用的，在滑動閘板式調(diào)節(jié)閥中使用陶瓷的閥盤及閥座口是有利的。

    節(jié)流區(qū)與閥座密封的位置分開，可以使閥內(nèi)件的壽命增加數(shù)倍，常常在惡劣的條件下使用。借助于重導向，閥芯突出的圓柱部分與閥座孔作成緊配合，而又不與孔的邊壁相接觸。閥座與閥芯的接合面是位于孔的上面，具有一個較大的直徑。它是用“韌性”的材料制成的，閥芯突出部分和閥孔在關閉時不碰撞，可以用更硬和更脆的材料。這些零件承擔節(jié)流磨損。閥芯伸出的圓柱部分，通過它的入口錐面正好插入閥孔。在剛打開閥門時，閥芯與閥座的接合面被打開一個小縫，并產(chǎn)生小流量的限流。在一個3/8英寸的閥孔中，行程達到0.001英寸后，閥座接合面提供小流量的限流。流體在這一點是通過閥芯圓柱體和閥孔的環(huán)形間隙，閥門并未開始節(jié)流，直到行程達到0.030英寸，流過的量超過*小流量后才貌雙全開始節(jié)流。行程的部分完成的極快，以減少閥座的磨蝕和氣蝕，然后恢復到正常的行程速度用于節(jié)流。在部分突然打開閥門的行程為0.001英寸，壓力降是分配在閥座接合面和閥芯在節(jié)流孔中的環(huán)形間隙之間，壓降的主要部分很快就轉(zhuǎn)移到閥孔上。實際上，如圖23所說明的，是兩個閥門的瞬時串聯(lián)，于是減少了氣蝕。

    全負荷流通口的閥門中，在閥芯伸出柱塞頭的上部的圓柱部分和閥座接合面的下面部分可以延伸，以便在大流量出現(xiàn)之前可以從連接處拆卸閥座。

表面硬化  閥內(nèi)件硬的表面層可以提高耐磨損和(或)耐磨蝕，也可以減少在高溫下的塑性變形。鎢鉻鈷硬質(zhì)合金、鉻硼系合金和碳化鎢是主要的材料，然而后者**于耐腐蝕及承受熱沖擊斷裂。這里考慮的耐腐蝕是指輕微局部腐蝕的類型，它可能發(fā)生于閥芯與閥座接合面的接觸部分。表面硬化也用于閥芯與閥座的接合面上，以保持嚴密的密封。硬表面層的部位說明于圖25中。

    下面是關于表面硬化的部位與用途之間關系的一個小結

圖25 硬表面層的部位

    鎢鉻鈷硬質(zhì)合金是硬的鎢和鉻顆粒在較軟的鉆母體中的特制合金，它形成一組用于閥內(nèi)件的材料。6號鎢鉻鈷硬質(zhì)合金是用于閥座，盡管它稍硬一些，但更脆的12號合金可以用于閥芯。鎢鉻鈷硬質(zhì)合金的耐磨損比它們的表面硬度所表明的還要高，因為該硬度是從母體測出的，而不是從微小顆粒的硬度測得的。

    1／4～2英寸小口徑的閥門，鎢鉻鈷硬質(zhì)合金零件可以鑄成實心的、鑄成環(huán)狀的和凸出焊接，或者焊在閥內(nèi)件基體材料的關鍵磨損部位，作為硬表面層使用。凸出焊接是電焊的一種形式，兩個零件加工成銳角的邊緣熔融在一起。硬表面層覆蓋的程度以及經(jīng)濟情況決定了方法的選擇。閥芯在4英寸以上時，用硬表面層整個覆蓋是不現(xiàn)實的，因為成本和焊接困難；但是，閥芯和閥座接合面的表面硬化處理不受限制。24英寸口徑的調(diào)節(jié)閥帶鎢鉻鈷硬質(zhì)合金的表面層已經(jīng)成功地制造出來，并投入運行。圖26中為大型快開閥芯的鎢鉻鈷硬質(zhì)合金表面層自動焊接的情況。

    鉻硼系合金硬化表面（供有磨損的場合使用）是極硬的硼化鉻晶體在鎳母體中的一種合金，它也是耐腐蝕的（和因康鎳合金相似），可應用于整個的閥內(nèi)件表面上，使用噴涂焊接工藝，熔融后產(chǎn)生一個無孔的表面。它具有高的熱硬度，并在溫度的循環(huán)變化中保持這個硬度。帶有鉻硼系合金硬化表面的閥芯示于圖27中。

    碳化鎢閥內(nèi)件通常是由粉末混合壓制、燒結而制成的，并經(jīng)研磨達到要求的尺寸。鈷、鉻和鎳結合而成的各種合金用于得到預期的耐沖擊特性、抗壓強度和承受某種程度的熱沖擊能力，但這些合金的硬度明顯地不同。碳化鎢是由銅焊、環(huán)氧樹脂粘合劑粘接和壓配合而附著在閥門零件上。銅焊已經(jīng)開發(fā)用于所有的溫度，而粘接的閥內(nèi)件溫度極限約為200℉；粘接的抗拉強度約8000磅／英寸2，而使用銅焊則為70，000磅／英寸2。在應用中必須仔細地考慮使用溫度和熱沖擊。閥座的負荷必須平衡，對閥芯的沖擊應當小，以防止這種材料的斷裂。成本一般是316不銹鋼閥內(nèi)件的3～4倍(見圖28)。