提高超高壓閥門壽命的措施

目前超高壓技術已被廣泛應用于超硬材料制 造、化學工業、石油化工、加工技術、等靜壓處 理、超高靜壓擠壓、粉末冶金、金屬成形以及地球 物理、地質力學研究等領域。由于高壓技術的 廣泛使用, 超高壓系統中的超高壓閥門性能直接影 響整個系統工作的可靠性、安全性、工作效率和使 用壽命。在那些須頻繁增壓卸壓的系統中顯得尤為 重要。超高壓閥門的主要失效原因為氣蝕和沖蝕磨 損, 而影響氣蝕和沖蝕的因素很多, 主要有材料的力學性能、流體力學因素和環境影響。要提高閥門抗氣蝕和沖蝕磨損的能力可以采用許多方法。

為了提高超高壓閥門抗沖蝕磨損的能力, 通常 選擇抗蝕材料。①硬度高的材料。②有耐酸蝕保護 膜的材料。③屈服點高、穩定性好的材料。④疲勞 強度高的材料。要提高材料的各種性能, 一是 采用合金化, 二是采用適當的熱處理。合金化法是 通過改變鋼的化學成分, 研制各種特殊性能的新材 料。熱處理法是不改變鋼的化學成分, 而是對鋼在固態下施以不同的加熱、保溫和冷卻, 以改變鋼的 組織結構, 提高材料的性能。

選擇超高壓閥門過流部件材質時, 應考慮流速 (最高使用壓力) 的不同, 失重也不同。在較高壓 力下(400MPa 以上) , 選用硬度高和紅硬性好的 材料, 如工具鋼或硬質合金。在較低壓力下(100 - 400MPa) , 要求材料既具有良好的塑性和韌性, 又要有較高的硬度。如美國HIP 公司的超高壓針 閥, 工作壓力為690MPa 的采用奧氏體316 不銹 鋼, 工作壓力為1 034MPa 的采用馬氏體型沉淀硬 化不銹鋼17 - 4PH。在國外, 用于承受氣蝕的部 件材料、閥瓣和閥座等多用馬氏體不銹鋼和工具 鋼, 閥座基體則用鉻鋁鋼和不銹鋼。隨著工業用陶 瓷技術的開發成功, 也出現了陶瓷材料閥門。陶瓷 材料在低沖角下具有高的抗沖蝕性能〔11〕, 但由于 閥針錐度減小, 其端部強度也隨之減小, 閥針與閥 座的支反力也減小, 影響密封的可靠性。因此, 在 選用陶瓷材料制作閥針時, 不僅要考慮其錐度的大 小同時要考慮其強度。

采用新結構:(1) 采用自緊式密封　一般超高壓卸荷閥工作時, 閥瓣在介質壓力作用下受到一個向上的推力, 系統中壓力越高所受向上的推力越大, 密 封面的比壓就越低。并且閥門在關閉的瞬間受到控 制壓力的作用, 對閥座產生很大的沖擊力, 易損壞 密封面而降低閥門的使用壽命。自緊式可換閥座超高壓卸壓閥, 該閥閥瓣不直接受介質沖 刷, 降低了沖蝕磨損。閥門關閉時, 閥瓣只受小彈 簧的彈力作用, 使得閥瓣對閥座的沖擊力很小, 密 封面不易受損, 提高了閥門使用壽命。由于其結構 簡單, 工作可靠, 能保證閥門在超高壓下工作時的 穩定性。
(2) 采用楔形閥瓣　從力學上分析, 因為錐 形閥是懸臂梁, 在高壓高速流體的沖擊下, 在高頻 振動下容易產生振動和疲勞斷裂。楔形閥的結構如 圖3 所示, 其閥芯為一斜面切割圓柱閥芯而形成, 該種形狀從力學角度分析, 相當于一個簡支梁, 由 于其閥瓣下端緊貼閥座, 這樣閥瓣的振動很小或很 難發生振動, 因而與錐形閥相比楔形閥在操作過程 中的穩定性好。
另外, 閥座及閥出口設計成文丘里噴嘴形, 可 以減少氣蝕和閃蒸。在閥前或閥后裝限流孔, 能吸 收一部分壓降, 減少閥前閥后壓降, 可以減弱氣 蝕。如果有閃蒸現象, 則不易采用底近側出流向。 采用新的結構是提高超高壓卸壓閥水壓閥壽命的有 效途徑。但是, 其壓力越高, 結構應越簡單。

為了延長超高壓閥門的使用壽命, 還要考慮其 工況環境。 (1) 避免閥在小開度下工作, 若閥針開啟升程 小或開啟動作緩慢, 在小開度下工作, 節流間隙 小, 沖蝕嚴重, 適當加大鎖緊機構的螺距, 加大開 啟速度和升程, 工作開度增大, 使節流間隙大, 沖 刷減弱, 可提高使用壽命。 (2) 避免閥在高溫介質下工作, 介質溫度對閥 的壽命影響很大, 介質溫度越高, 閥的壽命越短, 反之越長。因此在卸壓閥處加冷卻裝置, 也可明顯 提高閥的使用壽命。 (3) 在不同工作壓力下, 使用與之相應的密封 壓力, 選擇合適的密封比壓, 使用力矩扳手進行鎖 緊, 或實現閥的自動化控制, 這樣可以避免閥針在 未受到沖刷磨損時與閥座擠壓而損傷。 (4) 定時過濾高壓介質和清洗過濾器, 加液體 時應用過濾器進行過濾。經常使用時, 應適當縮短 周期。定期清洗油箱, 同時更換新介質, 根據設備 工作的實際情況可縮短清洗和換油周期。 (5) 安裝或更換針閥時要對其進行適當的清 洗。以免帶入雜物, 加速閥針的磨損。

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