提高超高压阀门寿命的措施

2007年第2期 阀 门 一 41一 文章编号：1002—5855(2007)02—0041—03 提高超高压阀门寿命的措施 袁格侠 (宝鸡文理学院 机电工程系，陕西 宝鸡 721007) 摘要 分析 了超高压阀门失效的原因，论述 了超高压阀门用选择，介绍了提高材料性能 的热处理和面硬化处理方法，提出了提高超高压阀门寿命有效措施。 关键词 超高压；阀门；提高寿命；措施 中图分类号：TH134 文献标识码：A Study on prolonging life of ultra high pressure valve YI AN Ge—xia (Department of Mechanism and Electronic Engineering，Bali University of arts and Science，Baoji Shaanxi 721007) Abstract：Along with ultrahigh pressure technology widespread use， the pressure valve service life more and more is valued scientific research workers， credibility and service lives that it works affect the safety and the work efficiency of the system directly．Proposed through the research and the mas— sive literature material a series of enhances the ultrahigh pressure valve life effective action． Key words：ultra high pressure；valve；prolonging life；measure 1 概述 目前超高压技术已被广泛应用于超硬材料制 造、化学工业、石油化工、加工技术、等静压处 理、超高静压挤压、粉末冶金、金属成形以及地球 物理、地质力学研究等领域CI】。由于高压技术的 广泛使用，超高压系统中的超高压阀门性能直接影 响整个系统工作的可靠性、安全性、工作效率和使 用寿命。在那些须频繁增压卸压的系统中显得尤为 重要。超高压阀门的主要失效原因为气蚀和冲蚀磨 损，而影响气蚀和冲蚀的因素很多，主要有材料的 力学性能、流体力学因素和环境影响。要提高阀门 抗气蚀和冲蚀磨损的能力可以采用许多方法。 2 材料选择 为了提高超高压阀门抗冲蚀磨损的能力，通常 选择抗蚀材料。①硬度高的材料。②有耐酸蚀保护 膜的材料。③屈服点高、稳定性好的材料。④疲劳 强度高的材料[ 。要提高材料的各种性能，一是 采用合金化。二是采用适当的热处理。合金化法是 通过改变钢的化学成分，研制各种特殊性能的新材 料。热处理法是不改变钢的化学成分，而是对钢在 作者简介：袁格侠 (1970一)，女，陕西扶风人，讲师。 固态下施以不同的加热、保温和冷却，以改变钢的 组织结构，提高材料的性能[31。 3 热处理与表面硬化处理 对于超高压阀门使用的材料，通常采用热处理 和表面硬化处理方法提高其抗挤压和耐冲蚀性能。 3．1 真空热处理 真空热处理是指将工件置于真空中进行的热处 理。真空热处理在加热中不产生氧化、脱碳及 其他腐蚀，而且具有净化表面脱油除脂的作用。在 真空中能将材料在冶炼过程中吸收的氢、氮和氧等 气体 脱 出，提 高材 料 的质 量和 性 能【3】。如 将 W18Cr4V制作的超高压针阀进行真空热处理后， 有效地增加了针阀的冲击韧性，同时提高了力学性 能和使用寿命L4J。 3．2 表面强化处理 为了提高零件的性能，除了改变材质以外，更 多的是采用表面强化处理方法。如表面淬火 (火焰 加热、高中频加热表面淬火、接触电加热表面淬 火、电解液加热表面淬火、激光电子束加热表面淬 火等)、渗碳、氮化、氰化、渗硼、渗金属 (TD 维普资讯 http://www.cqvip.com VALVE DESIGN QQ：40444436 VALVE DESIGN QQ群号：40444436 一 42一 阀 门 2007年第2期 法)、激光强化、化学气相沉积 (CVD法)、物理 气相沉积 (PVD法)、等离子体化学气相沉积 (PCVD)和等离子喷涂等【5J。 (1)物理气相沉积 (PVD法) 在真空中应 用蒸镀、离子镀、溅射等物理方法产生金属离子， 这些金属离子在工件表面沉积，形成金属涂层，或 与反应器反应形成化合物涂层，这种处理工艺方法 称为物理气相沉积，简称 PVD法。此方法沉积温 度低，处理温度 400～600℃，变形小，对零件的 基体组织及性能影响小。利用 PVD法在 W18Cr4V 制造的针阀上沉积 TiN层，则 TiN层极高的硬度 (2 500N3 000HV)和高耐磨性，提高了阀门抗腐 蚀性，在稀的盐酸、硫酸、硝酸中不受浸蚀，能保 持光亮表面。PVD处理后覆盖层精度很好。可研 磨抛光，其表面粗糙度为 R。0．8 m，抛光后可达 到 0．01 m[引。 (2)渗金属法 将工件置于添加有扩散元素或 其合金的硼砂沐浴中，在工件表面形成 V、Nb、 Cr、Ti等高硬度碳化物层，这种处理工艺方法称 为渗金属 (TD)法。该工艺稳定性好，无公害， 零件表面清洁。是一项行之有效的表面超强度硬化 技术。从而极大地提高零件的使用寿命。TD法浴 用材料以含40‰～80‰的 Ni，10‰～30‰的 Cr合 金或 Fe—Ni—Cr合金制件，其耐蚀性和抗氧化性 最强[ 。 (3)渗入法 渗入法可使零件表面形成致密的 渗层，既能够提高零件表面的硬度、耐磨性和疲劳 能力，还能提高非不锈钢零件的耐蚀性及不能淬火 材质零件的硬度，是提高超高压阀门部件寿命的有 效途径【4J。美国 HIP公司生产的 690MPa以上的 超高压阀门其阀体和多数阀内件及连接件都采用 17—4PH沉淀硬化不锈钢。然而由于常规热处理 后 17—4PH钢基体硬度为28～46HRC，在超高压 工况中，其耐磨性较差，表面磨损较为严重，为提 高 17—4PH钢表面强度，对 17—4PH沉淀硬化不 锈钢采用了氮离子注入及其复合改性处理。研究证 明N—C一0共渗结合 N+注入的复合改性方法不 仅可形成一定深度的改性范围，而且N+注入导致 表面摩擦 系数 降低，析 出含氮 第二相 CrN及 Cr2N，从而使基体表面同时拥有过饱和氮的固溶 强化和析出相的沉淀强化作用。因此经复合改性的 表面呈现出优异的抗磨损性能，尤其适合于较重载 荷或较长时间的磨损工况【引。GCrl5钢采用渗矾工 艺后，抗磨损性能也得到很大提高【 。 (4)激光表面处理 激光表面处理技术可以改 善材料表面的力学性能、冶金性能和物理性能，从 而提高零件的耐磨、耐蚀和耐疲劳等性能，以满足 不同工况的使用要求。激光表面处理是采用大功率 密度的激光束以非接触性的方式加热材料表面，实 现其表面改性的工艺方法。激光表面处理又分为激 光淬火、激光表面熔凝和激光表面合金化。对 W18Cr4V高速钢进行激光表面熔凝。功率大于 1 200W使表面微熔。硬度可提高到 70HRC(10】。而 普通淬火的硬度为 62 64HRC。 4 采用新工程材料 选择超高压阀门过流部件材质时，应考虑流速 (最高使用压力)的不同，失重也不同。在较高压 力下 (400MPa以上)，选用硬度高和红硬性好的 材料，如工具钢或硬质合金。在较低压力下 (100 — 400MPa)，要求材料既具有良好的塑性和韧性， 又要有较高的硬度。如美国 HIP公司的超高压针 阀，工作压力为 690MPa的采用奥氏体 316不锈 钢，工作压力为 1 034MPa的采用马氏体型沉淀硬 化不锈钢 17—4PH。在国外，用于承受气蚀的部 件材料、阀瓣和阀座等多用马氏体不锈钢和工具 钢，阀座基体则用铬铝钢和不锈钢。随着工业用陶 瓷技术的开发成功，也出现了陶瓷材料阀门。陶瓷 材料在低冲角下具有高的抗冲蚀性能【儿】，但由于 阀针锥度减小，其端部强度也随之减小，阀针与阀 座的支反力也减小，影响密封的可靠性。因此，在 选用陶瓷材料制作阀针时，不仅要考虑其锥度的大 小同时要考虑其强度。 5 采用新结构 (1)采用自紧式密封 一般超高压卸荷阀 (图 1)工作时，阀瓣在介质压力作用下受到一个向上 1．缓冲室 2．密封圈 3．阀盖 4．顶杆 5．阀瓣 6．阀体 7．阀座 图 1 超高压阀门 维普资讯 http://www.cqvip.com VALVE DESIGN QQ：40444436 VALVE DESIGN QQ群号：40444436 2007年第2期 阀 门 ·———43·——— 的推力，系统中压力越高所受向上的推力越大，密 封面的比压就越低。并且阀门在关闭的瞬间受到控 制压力的作用，对阀座产生很大的冲击力，易损坏 密封面而降低阀门的使用寿命(12】。图 2为自紧式 可换阀座超高压卸压阀，该阀阀瓣不直接受介质冲 刷，降低了冲蚀磨损。阀门关闭时，阀瓣只受小弹 簧的弹力作用，使得阀瓣对阀座的冲击力很小，密 封面不易受损，提高了阀门使用寿命。由于其结构 简单，工作可靠，能保证阀门在超高压下工作时的 稳定性。 图 2 自紧式可换阀座超高压卸压阀 图3 楔形阁瓣 (2)采用楔形阀瓣 从力学上分析，因为锥 形阀是悬臂梁，在高压高速流体的冲击下，在高频 振动下容易产生振动和疲劳断裂。楔形阀的结构如 图 3所示，其阀芯为一斜面切割圆柱阀芯而形成， 该种形状从力学角度分析，相当于一个简支梁，由 于其阀瓣下端紧贴阀座，这样阀瓣的振动很小或很 难发生振动，因而与锥形阀相比楔形阀在操作过程 中的稳定性好【1 3】。 另外，阀座及阀出口成文丘里喷嘴形，可 以减少气蚀和闪蒸。在阀前或阀后装限流孔，能吸 收一部分压降，减少阀前阀后压降，可以减弱气 蚀。如果有闪蒸现象，则不易采用底近侧出流向。 采用新的结构是提高超高压卸压阀水压阀寿命的有 效途径。但是，其压力越高，结构应越简单。 6 结语 为了延长超高压阀门的使用寿命，还要考虑其 工况环境。 (1)避免阀在小开度下工作，若阀针开启升程 小或开启动作缓慢，在小开度下工作，节流间隙 小，冲蚀严重，适当加大锁紧机构的螺距，加大开 启速度和升程，工作开度增大，使节流间隙大，冲 刷减弱，可提高使用寿命。 (2)避免阀在高温介质下工作，介质温度对阀 的寿命影响很大，介质温度越高，阀的寿命越短， 反之越长。因此在卸压阀处加冷却装置，也可明显 提高阀的使用寿命【1引。 (3)在不同工作压力下，使用与之相应的密封 压力，选择合适的密封比压，使用力矩扳手进行锁 紧，或实现阀的自动化控制，这样可以避免阀针在 未受到冲刷磨损时与阀座挤压而损伤。 (4)定时过滤高压介质和清洗过滤器，加液体 时应用过滤器进行过滤。经常使用时，应适当缩短 周期。定期清洗油箱，同时更换新介质，根据设备 工作的实际情况可缩短清洗和换油周期。 (5)安装或更换针阀时要对其进行适当的清 洗。以免带入杂物，加速阀针的磨损。 参 考 文 献 [1] 邵国华，魏兆灿等．超高压容器 [M]．北京：化学工业出 版社，2002． 【2) 彭凤祥．阀门气蚀研究 【j)．阀门，1994，(3)，11—16． [3] 赵一善．金属材料热处理及材料强韧化基础 [M]．北京： 机械工业出版社．1990． [4] 翟保升，纪娜．W18Cr4V钢针阀的真空热处理 [J]．金属 热处理，1995，(11)，30—32． [5] 张友亮，康林萍．表面改性方法 [J]．国外金属热处理， 2002，23(3)，6—9． [6] 林剑峰，景国辉，姚辉，等．提高柴油机针阀偶件耐磨性的 表面强化处理 [J]．传动技术，2003，(1)，30—33． [7] 李中坚，邹旭远，詹清河．TD法处理中的几个技术问题探 讨 【J]．热处理实践，1997，(2)，20—26． [8] 陈秋龙，蔡亦炜，彭辉，等．17—4PH沉淀硬化不锈钢氮 离子注入及其复合改性的研究 [J]．上海金属，1995，17 (4)，15—19． [9] 陈跃勤，唐英．GCrl5钢不同热处理后的磨损特征 [J]．金 属热处理，2000，18—20． [10] 董必达，何晓雄．激光热处理新技术的应用与工艺研究 [J]．合肥工业大学学报 (自然科学版)，2001，24(6)， 1119—1123． [11J Sheldon G L．Finnie I．On the ductile behavior oi nominally brittle materials during erosive cutting [J]．Trans．ASME。 1966，88B，387—393． [12] 杨汝禄．新型超高压卸荷阀 [J]．阀门，1994，(2)，13— 15． [13] 练章华，刘干。易浩，等．高压节流阀流场分析及其结构 改进 【J]．石油机械，2004，32(9)，22—24，41． [14] 顾里勤．提高高压水阀寿命的途径 【J]．煤矿机械，1994， (1)，23—24． (收稿日期：2006．11．22) 维普资讯 http://www.cqvip.com VALVE DESIGN QQ：40444436 VALVE DESIGN QQ群号：40444436