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目前超高壓技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于超硬材料制造、化學(xué)工業(yè)、石油化工、加工技術(shù)、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(zhì)力學(xué)研究等領(lǐng)域。由于高壓技術(shù)的廣泛使用, 超高壓系統(tǒng)中的超高壓閥門性能直接影響整個(gè)系統(tǒng)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(tǒng)中顯得尤為重要。超高壓閥門的主要失效原因?yàn)闅馕g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(xué)性能、流體力學(xué)因素和環(huán)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(hù)膜的材料。③屈服點(diǎn)高、穩(wěn)定性好的材料。④疲勞強(qiáng)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(dāng)?shù)臒崽幚�。合金化法是通過改變鋼的化學(xué)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(xué)成分, 而是對(duì)鋼在固態(tài)下施以不同的加熱、保溫和冷卻, 以改變鋼的組織結(jié)構(gòu), 提高材料的性能。
選擇超高壓閥門過流部件材質(zhì)時(shí), 應(yīng)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(zhì)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(guó)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(guó)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(yè)用陶瓷技術(shù)的開發(fā)成功, 也出現(xiàn)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(qiáng)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(shí), 不僅要考慮其錐度的大小同時(shí)要考慮其強(qiáng)度。
采用新結(jié)構(gòu):(1) 采用自緊式密封一般超高壓卸荷閥工作時(shí), 閥瓣在介質(zhì)壓力作用下受到一個(gè)向上的推力, 系統(tǒng)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(guān)閉的瞬間受到控制壓力的作用, 對(duì)閥座產(chǎn)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(zhì)沖刷, 降低了沖蝕磨損。閥門關(guān)閉時(shí), 閥瓣只受小彈簧的彈力作用, 使得閥瓣對(duì)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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單, 工作可靠, 能保證閥門在超高壓下工作時(shí)的穩(wěn)定性。
(2) 采用楔形閥瓣從力學(xué)上分析, 因?yàn)殄F形閥是懸臂梁, 在高壓高速流體的沖擊下, 在高頻振動(dòng)下容易產(chǎn)生振動(dòng)和疲勞斷裂。楔形閥的結(jié)構(gòu)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(xué)角度分析, 相當(dāng)于一個(gè)簡(jiǎn)支梁, 由于其閥瓣下端緊貼閥座, 這樣閥瓣的振動(dòng)很小或很難發(fā)生振動(dòng), 因而與錐形閥相比楔形閥在操作過程中的穩(wěn)定性好。
另外, 閥座及閥出口設(shè)計(jì)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(xiàn)象, 則不易采用底近側(cè)出流向。采用新的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)應(yīng)越簡(jiǎn)單。
為了延長(zhǎng)超高壓閥門的使用壽命, 還要考慮其工況環(huán)境。 (1) 避免閥在小開度下工作, 若閥針開啟升程小或開啟動(dòng)作緩慢, 在小開度下工作, 節(jié)流間隙小, 沖蝕嚴(yán)重, 適當(dāng)加大鎖緊機(jī)構(gòu)的螺距, 加大開啟速度和升程, 工作開度增大, 使節(jié)流間隙大, 沖刷減弱, 可提高使用壽命。 (2) 避免閥在高溫介質(zhì)下工作, 介質(zhì)溫度對(duì)閥的壽命影響很大, 介質(zhì)溫度越高, 閥的壽命越短, 反之越長(zhǎng)。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(yīng)的密封壓力, 選擇合適的密封比壓, 使用力矩扳手進(jìn)行鎖緊, 或?qū)崿F(xiàn)閥的自動(dòng)化控制, 這樣可以避免閥針在未受到?jīng)_刷磨損時(shí)與閥座擠壓而損傷。 (4) 定時(shí)過濾高壓介質(zhì)和清洗過濾器, 加液體時(shí)應(yīng)用過濾器進(jìn)行過濾。經(jīng)常使用時(shí), 應(yīng)適當(dāng)縮短周期。定期清洗油箱, 同時(shí)更換新介質(zhì), 根據(jù)設(shè)備工作的實(shí)際情況可縮短清洗和換油周期。 (5) 安裝或更換針閥時(shí)要對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)?shù)那逑础Ｒ悦鈳腚s物, 加速閥針的磨損。
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