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阀内件磨损

说明：
调节阀是流量控制系统中的活动部件，不断地节流和经常地切断流量；所以，在恶劣的条件下使用，阀内件磨损是预料到的问题。由于磨损，阀内件的更换方便是调节阀设计中应考虑的重要事项。
阀芯和阀座材料的磨损引起阀门泄漏，改变了流量特性，如果发生严重磨损，会形成一条新流路并可能穿透阀体的壁。
颗粒冲击磨损与其说和颗粒的动量有关，不如说与磨耗颗粒的动能有关。输送高粘度的流体，由于在颗粒和阀内件之间建立了“缓冲效应”，可以减少磨损。评价耐颗粒冲击磨损，阀内件的硬度不是唯一准则。小磨耗颗粒造成的磨损比大颗粒造成的磨损要小些，磨损的破坏一般地说是随流速的平方而增加的。
有四种磨损的基本形式:（1）磨耗颗粒；（2）气蚀；（3）磨损腐蚀作用；（4）高流速液体的冲击。消除、减少磨损的方法或把磨损转移非关键部分的办法是随着磨损的形式而异的。
磨耗颗粒的磨损
比阀内件表面硬的无数徽小颗粒夹带在高速流体中流动，撞击并冲刷掉阀内件的金属。含有高浓度磨耗颗糙的悬浮液，使阀芯和阀座接合面在每次关闭时彼此严重地磨擦。阀座接合面常常由于压碎颗粒和发生磨损而关不严。
磨耗性磨损可用下边方法使其减少：
1）选择阀内件材料或阀内件带一层比磨耗颗粒更硬的表面，但是它必须很硬，不易受冲击而脆裂。这将延长磨损周期并防止在一些关键部位的磨耗。
2）用流线型的流动来防止在阀内件上受颗粒的直接冲击。要做到这一点，流体必须平行于阀座接合面和阀芯柱塞表面流动。流向必须缓慢地改变，还必须应用流体附着和脱离原理来保护阀芯和阀座接合面部分。这些因素由阀门设计人员来处理，但是用户和制造厂的应用工程师在选择阀内件型式和阀体式样中起重要的作用，协助实现这些工作原理。
阀门的设计人员采用若干技术来开发和改进流动的形式，以减少磨损。采用一半和实尺模型的透明塑料的阀体对流动情况选行研究是经常使用的办法。由空气中混入烟气，或是在水中加入铝绒屑，或注入带颜色的流体来显示出流动的形式。用改变阀内件和阀体的形状来减少直接的冲击、消除涡流及减小压力降。做一下这样的实验来确定最终的磨损位置，其方法是使用含沙量很高的流体，通过阀门进行循环，在这种情况下由机工在阀内件上涂刷一层蓝色的覆盖层。磨损的情况经几分钟的功夫就可以看得见，进一步的变革可能需要建立一个统一的磨损率和减少在阀座接合面上的磨损。完成这个实验后，还需要做几天冲刷磨蚀金属的实验来验证结构变革。高压降排放动力节流试验可以包括磨耗颗粒尺寸大小的范围，该范围中包括豆粒大小的碎砂石。这是真实地验证了耐冲击的情况。

图14 流体的脱离防止阀座接合面受到磨损
1）在图14中，利用流体的附着和脱离来大大地减少阀座接合面的磨损率。

图15 在三通的阀杆上的导流板阻止了磨损
2）图15示出了在三通阀的排出口消除冲刷磨蚀流体涡流的效果。涡流使阀杆的某个位置形成冲槽，从那里穿过阀杆密封。

图16 套筒沿着阀座接合面分配磨蚀性流体
3）在图16中，套筒使液体沿着阀座更均匀地分布，从而获得了更长的使用寿命和更均匀的磨损。
采用狭窄的阀座接合面来限制颗粒附着在阀门的关闭件上，并使其有足够的阀座力来压碎附着在上面的较大的颗粒，使磨蚀的磨损更进一步地减少。例如，在1/4~ 2英寸的阀座口直径中，采用0.015~O.030英寸的接合面宽度。
对于处理悬浮液的阀内件，推荐的压力降极限（图17）。

图17 流体磨蚀及冲击磨损
材料
节流压力降极限
17-4PH
125磅/英寸2
6号钨铬钴硬质合金
125磅/英寸2
6号铬硼系合金
150磅/英寸2
440-C不锈钢
200磅/英寸2
碳化钨
200磅/英寸2以上
阀内件的气蚀磨损
高速的带压液体流动，在节流下通过阀门，压力变成小于该液体在那个温度下的蒸气压，随时都有可能产生气蚀。
当碰到这种情况，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降低了流速，压力恢复的结果使气泡破裂。气泡压碎的冲击力成为阀内件严重损坏的原因。在第六章中将作更为详细的介绍。
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保护层的屈服强度。所以在气蚀条件下使用的阀内件，最主要的要求是容易更换。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。要求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，在严重的气蚀下将要求有计划地定期更换阀内件。
下列的阀内件材料是使用于气蚀场合，是按照耐气蚀能力逐渐增加的顺序来排列的Rc（硬度）。
材质                    70DF时的硬度      材质                     70DF时的硬度
6号钨铬钴硬质合金       40/45Rc          硬化的工具钢             60/63Rc
440-C不锈钢             50/60Rc          碳化钨                   70Rc①
6号铬硼系合金           56/61Rc          （烧结并固定在镍包裹层上）
①一些碳化钨是较硬的，但易碎，对反复冲击阀门关闭件没有足有的耐冲击强度，特别是在冷的时候。82Rc的碳化钨可以用来做节流孔，在阀座接合面的下方，如图23所示。碳化硼也属于这一类。
降低选定的阀内件的气蚀磨损，可以有如下的方法：
1）选用最硬的阀内件是可行的，不会由于阀门关闭的反复碰撞和热冲击而使阀内件破裂。
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。水在120°F及压力降为3000磅/英寸2时，下游侧的压力通常为50-100磅/英寸2，这将大大地降低气蚀损害。这是可以作到的，可在阀门的下游侧安装一个阀后压力调节器或者装一个比阀座小的极硬的节流孔板。
3）在流体自上而下流动的高压角形阀中，采用钝边的阀座孔，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）使用两个阀门串联并在其间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）使用特殊的阀门，含有多级节流及向里弯曲的流路，而且限定通过每次节流的压力降。
特殊的阀内件结构是适用于气蚀使用的。一些阀门制造厂借助于独特的结构来大大地降低或消除气蚀，可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，由阀门任意节流的入口压力来表示，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，这就减小了低压力及气泡形成区。其他的结构是在阀座孔的下游侧具有大的强制增压，允许气泡压碎在流体的流束中，而不是在阀体的内壁上。五种结构用插图说明于图18、19、20、21和34c中。

（a）带分流孔的套筒结构
分流孔引起流体的孔中扰动，并从对面的孔中喷射冲击。阀座环和出口管具有同等的内径，以防止阀座下游侧的压力恢复。设计成功地运用于口径1～18英寸。
（b）带分流孔的阀芯
（c）在套筒上的台阶孔
图18 减少气蚀的套筒孔结构

（a）涡轮串联式调节阀
从这一级到下一级在每一级内产生流体旋涡，可以处理100磅/英寸2流体沿着阀芯的螺旋形槽沟流动，流体通过槽沟旋转90°J由于离心力而背离阀体保护层的内壁，气蚀蒸气的气泡趋向于保留在主流束中而远离阀内壁，虽然它比流体轻。这种设计已用于调节锅炉给水泵的旁路。
（b）串级流节流孔
高压降流体中使用的磨耗和气蚀磨损，在这种阀的设计中实际上是被消除了，在多级小台阶中降压，它比适用的阀门维持更低的流速。通用的单座阀平均动压头损失系数为08，而这种设计具有20的K值，因为流过的流体受到连续的旋转（压头损失H=V2/2g）。每级阀座口按通用阀的经验，似乎仅有5%的压力降。节流过程几乎可以认为是等焓流。摩擦阻力更像在一根长管线上的压力降。长导向被限制在圆周的4个拐角处，防止当流动的液体夹带颗粒时挤住。在口径为1/2"~2"时，工作压力范围达6000磅/英寸2，流通能力为通用低压降阀门的1/16~1/4，可以采用聚四氟乙烯做成的软阀座结构，用于滴漏严密关闭。图74£就是一个例子。
图19 用于串联控制流量的两种结构

图20 多流速丫头损失阀内件

图21 用于高压降的降低流速阀内件
阀芯和阀座孔均为逐渐地收缩的锥面。摩擦阻力发生于长的流动通道中，吸收能量，减少气蚀腐损。结构稳定，己运行到60000磅/英寸2压力降。可调范围达到250。
磨损腐蚀
许多金属不受腐蚀，因为它们的表面形成一层保护膜。在有磨损的场合中的使用阀门，这层膜很快就被磨蚀颗粒、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，磨损腐蚀可以以极快的速度进行。应当记住，腐蚀是一个极为复杂的现象，而且在腐蚀性介质中，简单的规则不能代替实际的阀门使用的历程。
阀内件使用许多贵重的金属可以减小磨损腐蚀，例如：蒙乃尔合金、镍、铁、哈氏合金或杜里默特不锈钢。对于一般的应用和耐工艺流体腐蚀的阀内件材料，参考在附录中给出的阀内件材料表。
在四氟乙烯与六氟丙烯共聚物（FEP）衬里的阀体中，聚四氟乙烯阀内件是最圆满的耐腐蚀阀门，可适用于2英寸口径，压力等级为ANSI标准中规定的150磅，使用温度-20～300°F。FEP衬里通常是把它固定在碳钢阀体的里边。阀芯和阀座是由聚四氟乙烯制成的，可以在聚四氟乙烯中填充玻璃丝来提高稳定性。适用于工艺流体的合金阀杆由制造厂提供。
下表列出的是耐电化腐蚀的阀内件材科，是按照最容易被腐蚀（阳极）到最少受腐蚀（阴极）的顺序排列的。铜和铂是作为基准。  
碳钢
阀体材料
镍
阀内件
铸铁
阀体材科
因康镍合金
阀内件
耐蚀高镍铸铁
阀体材料
铜
基准
440-C不锈钢
阀内件
青铜
阀内件
17-4PH不锈钢
阀内件
蒙乃尔合金
阀内件
316不锈钢
阀内件
铂
基准
钨铬钴硬质合金及铬硼系合金
阀内件

阀内件和阀体材料之间的电解电位差是较高的，与上表中它们的单个材科相比是更大些。所以腐蚀速率是高于电化锈蚀作用。阀体面积较大，可用来承受腐蚀，使之不致出现严重的问题，因为阀体是作为牺牲的部件。技术规范为这种腐蚀规定了一个许用的阀体壁厚。高速流体的冲击磨损在流路中有时会发生非常高速度的流体喷射，引起了流体突然转向，一下子离开某一表面，冲击并磨蚀邻近零件。冲击磨损可能形成磨损腐蚀，因此，当高速流体形成喷射时，很快就会把保护表面的覆盖层吹掉。发生冲击磨损，流体通过阀与阀芯座之间的流通面积时的平均流速必须超过每秒几百英尺。
锅炉给水泵的旁路阀是一个典型的高速磨损的例子。高的压力降，达4600磅/英寸2，阀门拿到这种场合下使用，往往气蚀阀座接合面，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。
液滴夹杂在蒸气流速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。

冲击磨损如图22中所说明的，可以用下边的办法来使其减少：
（1）流线型的流路；
（2）使用硬的阀内件；
（3在进入阀体之前从流体的流束中分离出夹带的液滴。
以下是有关各种耐磨损的阀芯形式和阀体的组合，排列的顺序是从“最好”到“最差”：
1）单座，柱塞式阀芯，角形阀体，流体自上而下地流过阀芯。流体从宽敞的四周加到阀座的入口，流体逐渐改变流向进入节流区，降低了入口的流速和磨蚀的磨损。流体排出的形状导致最小的气蚀损害。采用长弯曲型的角形阀体可能是有利的。
2）单座，柱塞式阀芯，球形阀体。在阀体内压力恢复，加剧了气蚀损害。
3）单座，V形口阀心，球形阀体。流体的喷射作用在低行程时可能磨损阀体的内壁。
4）双座，柱塞式阀芯，球形阀体。阀芯导向杆易受到严重的磨损。
5）双座，V形口阀芯，球形阀体。和上述第3和4项的结果相同。
6）多槽阀芯。阀座磨损集中在很小的一段，不是令人满意的。
在中等的压降下，弹性材料衬里的阀体和阀芯给出极好的结果。陶瓷的阀内件也是极为耐用的，在滑动闸板式调节阀中使用陶瓷的阀盘及阀座口是有利的。
节流区与阀座密封的位置分开，可以使阀内件的寿命增加数倍，常常在恶劣的条件下使用。借助于重导向，阀芯突出的圆柱部分与阀座孔作成紧配合，而又不与孔的边壁相接触。阀座与阀芯的接合面是位于孔的上面，具有一个较大的直径。它是用“韧性”的材料制成的，阀芯突出部分和阀孔在关闭时不碰撞，可以用更硬和更脆的材料。这些零件承担节流磨损。阀芯伸出的圆柱部分，通过它的入口锥面正好插入阀孔。在刚打开阀门时，阀芯与阀座的接合面被打开一个小缝，并产生小流量的限流。在一个3/8英寸的阀孔中，行程达到0.001英寸后，阀座接合面提供小流量的限流。流体在这一点是通过阀芯圆柱体和阀孔的环形间隙，阀门并未开始节流，直到行程达到0.030英寸，流过的量超过最小流量后才开始节流。行程的第一部分完成的极快，以减少阀座的磨蚀和气蚀，然后恢复到正常的行程速度用于节流。在第-部分突然打开阀门的行程为0.001英寸，压力降是分配在阀座接合面和阀芯在节流孔中的环形间隙之间，压降的主要部分很快就转移到阀孔上。实际上，如图23所说明的，是两个阀门的瞬时串联，于是减少了气蚀。

图23 节流区和阀座密封分开的套筒阀内件
串级式阀内件举例说明和解释于图24中，是另一种减少气蚀的方法。

图24 串级式阀内件
在阀座密封表面之间提供一连串的压力降，这就降低了通过阀座接合面的流速。在迷宫式槽沟部分，阀芯和套筒之间的间隙保持在0.002英寸，以得到适当的串联效果。20度的阀芯与22度的阀座匹配，阀座密封的角度差允许阀座的密封压力达到100，000磅/英寸2，使硬化到53～56Rc的440－C不绣钢阀门内件发生轻微的变形。在液体中使用，压降达到1500磅/英寸2以上；在蒸汽中使用，压力降在2500磅/英寸2以上。节流300oF水，压降为4000磅/英寸2，行程0.050英寸，使用了一年，阀座密封表面未损坏。
在一个全负荷流通口的阀门中，在阀芯伸出柱塞头的上部的圆柱部分和阀座接合面的下面部分可以延伸，以便在大流量出现之前可以从连接处拆卸阀座。
表面硬化
阀内件硬的表面层可以提高耐磨损和（或）耐磨蚀，也可以减少在高温下的塑性变形。钨铬钴硬质合金、铬硼系合金和碳化钨是主要的材料，然而后者仅限于耐腐蚀及承受热冲击断裂。这里考虑的耐腐蚀是指轻微局部腐蚀的类型，它可能发生于阀芯与阀座接合面的接触部分。表面硬化也用于阀芯与阀座的接合面上，以保持严密的密封。硬表面层的部位说明于图25中。

图25 硬表面层的部位
下面是关于表面硬化的部位与用途之间关系的一个小结
部件
用途
仅在阀座上（图25a）
常开，非节流用，关闭时克服高的应力降
阀座和阀芯接合面（图25b）
节流用，中等压降及磨蚀流体，常闭，打开时压降高
整个阀座接合面、孔和阀芯柱塞（图25c）
难度大的节流用，高压降和严重磨损
阀芯导向杆，还有阀座与阀芯的接合面（图25d）
高温用
钨铬钴硬质合金是硬的钨和铬颗粒在较软的钴母体中的特制合金，它形成一组用于阀内件的材料。6号钨铬钴硬质合金是用于阀座，尽管它稍硬一些，但更脆的12号合金可以用于阀芯。钨铬钴硬质合金的耐磨损比它们的表面硬度所表明的还要高，因为该硬度是从母体测出的，而不是从微小颗粒的硬度测得的。
1/4~2英寸小口径的阀门，钨铬钴硬质合金零件可以铸成实心的、铸成环状的和凸出焊接，或者焊在阀内件基体材料的关键磨损部位，作为硬表面层使用。凸出焊接是电焊的一种形式，两个零件加工成锐角的边缘熔融在一起。硬表面层复盖的程度以及经济情况决定了方法的选择。阀芯在4英寸以上时，用硬表面层整个覆盖是不现实的，因为成本和焊接困难；但是，阀芯和阀座接合面的表面硬化处理不受限制。24英寸口径的调节阀带钨铬钴硬质合金的表面层已经成功地制造出来，并投入运行。图26中为大型快开阀芯的钨铬钴硬质合金表面层自动焊接的情况。

图26 用自动化设备焊接快开阀芯的钨铬钴硬质合金表面层
铬硼系合金硬化表面（供有磨损的场合使用）是极硬的硼化铬晶体在镍母体中的一种合金它也是耐腐蚀的（和因康镍合金相似），可应用于整个的阀内件表面上，使用喷涂焊接工艺，熔融后产生一个无孔的表面。它具有高的热硬度，并在温度的循环变化中保持这个硬度。带有铬硼系合金硬化表面的阀芯示于图27中。

图27 铬硼系合金覆盖和熔融的V形口双阀座芯准备研磨阀座接合面、侧缘及导向杆直径
碳化钨阀内件通常是由粉末混合压制、烧结而制成的，并经研磨达到要求的尺寸。钴、铬和镍结合而成的各种合金用于得到预期的耐冲击特性、抗压强度和承受某种程度的热冲击能力，但这些合金的硬度明显地不同。碳化钨是由铜焊、环氧树脂粘合剂粘接和压配合而附着在阀门零件上。铜焊已经开发用于所有的温度，而粘接的阀内件温度极限约为200oF；粘接的抗拉强度约8000磅/英寸2，而使用铜焊则为70，000磅/英寸2。在应用中必须仔细地考虑使用温度和热冲击。阀座的负荷必须平衡，对阀芯的冲击应当小，以防止这种材料的断裂。成本一般是316不锈钢阀内件的3~4倍（见图28）。

图28 碳化钨衬套，用于表面硬化的阀内件由铜焊或环氧树脂粘紧圆柱形零件抛光