郭非，王啟明(中國(guó)五環(huán)工程有限公司，武漢 430223)

閥內(nèi)件磨損及材質(zhì)選擇

郭非，王啟明
(中國(guó)五環(huán)工程有限公司，武漢 430223)

閥內(nèi)件磨損程度直接關(guān)系到閥門的性能，特別是苛刻工況下閥內(nèi)件的磨損尤其嚴(yán)重。全面地分析閥內(nèi)件磨損形成的原因，并從閥內(nèi)件的材料性能出發(fā)，論述了不同閥內(nèi)件材質(zhì)的性能和硬化處理方法，重點(diǎn)探討了在苛刻工況下的閥內(nèi)件材質(zhì)的選擇。事實(shí)表明，在選擇好閥芯形式的基礎(chǔ)上，通過(guò)合理地選擇閥內(nèi)件的材質(zhì)，可以有效地減少閥內(nèi)件的磨損，從而延長(zhǎng)閥門的使用壽命、提高閥門的使用性能。

閥內(nèi)件 磨損 硬化處理 苛刻工況

閥門是流量控制系統(tǒng)中的重要部件，不斷地調(diào)節(jié)或切斷流量，經(jīng)常在高壓差、高溫、含顆粒介質(zhì)等工況下使用，閥門內(nèi)件的磨損毀壞應(yīng)該是意料之中的事情。根據(jù)具體工況，選擇合理的閥芯形式和閥內(nèi)件材料，有效地提高閥門的使用性能和壽命，是調(diào)節(jié)閥設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮的重要事項(xiàng)。

閥內(nèi)件直接接觸介質(zhì)，是受到介質(zhì)沖刷和腐蝕影響最大的閥門部件。因此，閥內(nèi)件會(huì)受到不同程度的磨損，在苛刻工況下，閥內(nèi)件的磨損尤其嚴(yán)重。充分認(rèn)識(shí)閥內(nèi)件的磨損原因，采取適當(dāng)?shù)拇胧┦菧p少閥內(nèi)件磨損的有效方法。

1 閥內(nèi)件磨損類型

綜合各種情況，由于流體作用而造成的閥內(nèi)件磨損可以分為顆粒磨損、氣蝕磨損、腐蝕磨損和沖擊磨損四大類。

1.1顆粒磨損

無(wú)數(shù)顆粒夾帶在高速流體中流動(dòng)，撞擊并沖刷閥內(nèi)件金屬表面，最終產(chǎn)生顆粒磨損。同時(shí)，含有高濃度顆粒的懸浮液在閥座接合面殘留，致使閥芯和閥座接合面在每次關(guān)閉時(shí)產(chǎn)生嚴(yán)重摩擦，由于壓碎顆粒而發(fā)生磨損常使得閥座接合面關(guān)不嚴(yán)。

如煤氣化裝置有的介質(zhì)含有二氧化碳和煤粉等，在這種情況下容易導(dǎo)致閥內(nèi)件的顆粒磨損。解決閥內(nèi)件顆粒磨損的方法： 對(duì)閥內(nèi)件表面進(jìn)行硬化處理，提高耐磨損能力；通過(guò)改變閥內(nèi)件和閥體的型式來(lái)減少顆粒直接的沖擊、消除渦流及減小壓力降，從而防止閥內(nèi)件關(guān)鍵部位的磨損，可以延長(zhǎng)閥內(nèi)件使用周期。

1.2腐蝕磨損

當(dāng)金屬閥內(nèi)件與介質(zhì)接觸產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)時(shí)，易發(fā)生腐蝕磨損。腐蝕磨損是極其復(fù)雜的現(xiàn)象，當(dāng)閥內(nèi)件表面的保護(hù)膜被磨損掉后，腐蝕磨損以較快的速度進(jìn)行。腐蝕磨損使金屬轉(zhuǎn)入氧化或離子狀態(tài)，這將會(huì)顯著降低金屬材料的強(qiáng)度、塑性、韌性等力學(xué)性能，破壞了金屬構(gòu)件的幾何形狀，縮短了閥內(nèi)件的使用壽命。

尿素裝置中調(diào)節(jié)尿素溶液的閥門屬典型磨損腐蝕，一般不銹鋼不能耐其腐蝕，應(yīng)該預(yù)防閥內(nèi)件的腐蝕磨損。防止閥內(nèi)件腐蝕磨損的方法： 選取耐腐蝕的金屬或非金屬作為閥內(nèi)件材料或隔膜，對(duì)于某種介質(zhì)選擇何種金屬材料，可以參考美國(guó)儀表協(xié)會(huì)提供的耐腐蝕材料表；在閥內(nèi)件上噴涂介質(zhì)，達(dá)到與介質(zhì)隔離的目的。

1.3氣蝕磨損

閥門內(nèi)的流體流經(jīng)節(jié)流孔時(shí)，流速突然急劇增加，靜壓力驟然下降。當(dāng)壓力達(dá)到或低于該流體所在情況下的飽和蒸汽壓力時(shí)，部分液體汽化為氣體，形成閃蒸現(xiàn)象。在離開(kāi)節(jié)流孔后流速減小，壓力急驟上升。壓力恢復(fù)的結(jié)果使氣泡破裂后產(chǎn)生巨大的沖擊力，其強(qiáng)度可達(dá)幾千牛頓。該沖擊力沖撞在閥內(nèi)件上，使其表面產(chǎn)生塑性變形，形成一個(gè)個(gè)粗糙的蜂窩渣孔，這便是氣蝕形成的過(guò)程。

氣蝕現(xiàn)象容易發(fā)生在壓差大的流體上，如在合成氨裝置中分離液調(diào)節(jié)閥，差壓高達(dá)5.3 MPa。防止氣蝕磨損的方法有多種，如維持閥門下游的足夠壓力、使用糖葫蘆式閥芯等。常用有效的方法是選擇合理的閥芯形式，如選取多級(jí)降壓套筒閥和迷宮閥等，在此基礎(chǔ)上，采取對(duì)閥內(nèi)件堆焊、金屬滲透等硬化方法提高閥內(nèi)件硬度。

1.4沖擊磨損

沖擊磨損多發(fā)生在高速流體噴射引起的流體轉(zhuǎn)向中，高速旋轉(zhuǎn)的流體快速把閥內(nèi)件保護(hù)表面的覆蓋層吹掉，沖擊并磨蝕鄰近零構(gòu)件，造成閥芯磨損。

鍋爐給水泵的旁路閥屬典型的沖擊磨損，壓力降達(dá)32 MPa，在此種場(chǎng)合下使用，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(dòng)形狀。套筒是有助于改善此種情況的，但不能完全消除沖擊磨損。液滴夾雜在蒸汽流速中也會(huì)引起沖擊磨損，干燥的氣體和過(guò)熱蒸汽引起的沖擊磨損相對(duì)較小。

解決沖擊磨損的方法： 通過(guò)提高閥內(nèi)件硬度，提高抗磨損能力；采取改變閥內(nèi)流路，在進(jìn)入閥體前從流體中分離出等方法，降低流體對(duì)閥內(nèi)件的沖擊。

2 閥內(nèi)件材質(zhì)的選擇

要有效減少閥內(nèi)件的磨損，應(yīng)根據(jù)具體工況選擇合理的閥芯形式，并在此基礎(chǔ)上選取合適的閥內(nèi)件材質(zhì)。閥內(nèi)件的工作條件差異很大，壓力可以從真空到超高壓，溫度在-269～816 ℃，有些工作溫度可達(dá)1200 ℃，工作介質(zhì)從非腐蝕介質(zhì)到各種酸、堿等強(qiáng)腐蝕性介質(zhì)。減小閥內(nèi)件的磨損，材質(zhì)是至關(guān)重要的因素，應(yīng)該根據(jù)不同的工況選擇相適應(yīng)的閥內(nèi)件材質(zhì)。

2.1閥內(nèi)件表面處理

閥內(nèi)件材質(zhì)一般選取304SS和316SS不銹鋼，有時(shí)要根據(jù)流體情況進(jìn)行硬化處理。對(duì)空化流體和含有固體顆粒的流體，當(dāng)流體差壓超過(guò)1.5 MPa或溫度超過(guò)300 ℃時(shí)，應(yīng)做硬化處理。如果長(zhǎng)期工作在苛刻條件下或是要求泄漏量小、精度高，即使是常溫常壓也應(yīng)該考慮硬化處理。硬化處理是指通過(guò)適當(dāng)?shù)姆椒ㄊ归y芯表層硬化而內(nèi)部仍然具有強(qiáng)韌性的方法，可提高其耐磨性、耐疲勞性。最常用的硬化處理方法包括熱處理、堆焊、表面硬化處理等。

1) 熱處理是將金屬材料放在一定的介質(zhì)內(nèi)加熱、保溫、冷卻，通過(guò)改變材料表面或內(nèi)部的金相組織結(jié)構(gòu)，來(lái)控制其性能的一種金屬熱加工工藝。常見(jiàn)的熱處理工藝有正火、退火、淬火、回火、固溶熱處理和時(shí)效處理等，如蒸汽減溫減壓器的閥芯多進(jìn)行熱處理。

2) 堆焊Stellite合金具有很高的硬度，是以Co為基本成分，加進(jìn)Cr，W，C等元素組成的合金。其中Co的作用是使合金具有很高的抗腐蝕性并獲得有韌性的固熔體基體，W增加其高溫強(qiáng)度，C與Cr和W形成高硬度的碳化鉻和碳化鎢，使合金具有很好的耐磨性，幾乎可用于各種場(chǎng)合的管道系統(tǒng)，特別是高溫高壓閥門內(nèi)壁及結(jié)合面處理等效果明顯。

3) 閥內(nèi)件常用的表面硬化處理方法有滲碳、氮化、鍍鉻、滲金屬等，主要用于籠式閥芯的材料硬化處理。

a) 滲碳就是使碳原子滲入表面，獲得一定的表面含碳量，在淬火之后，含碳量高的表層硬度很高，而含碳量低的芯部硬度低具有良好的韌性。滲碳可使閥內(nèi)件具有較高的表面硬度、耐磨性以及高的接觸疲勞強(qiáng)度和彎曲疲勞強(qiáng)度，硬度可達(dá)HRC 55～65。

b) 氮化是使鋼的表面形成一層硬度高、耐腐蝕的氮化物。氮化處理后表面的硬度可以達(dá)到HRC 65～72，比滲碳處理后的硬度更高、更耐磨，并且耐腐蝕性能較好。

c) 鍍硬鉻也是常見(jiàn)的閥內(nèi)件硬化處理方法，鉻是最硬的金屬，硬度可以達(dá)到800～1000 HV。它有很強(qiáng)的鈍化性能，在大氣中能夠快速鈍化，因而鉻層在大氣中很穩(wěn)定，鉻鍍層優(yōu)點(diǎn)為硬度高、耐磨性好、光反射性強(qiáng)，可以耐700 ℃高溫。

d) 不銹鋼析出硬化又稱沉淀硬化，如奧氏體沉淀不銹鋼在固熔處理后或經(jīng)冷加工后，在400～500 ℃或700～800 ℃進(jìn)行沉淀硬化處理，可獲得很高的強(qiáng)度。17-4PH是由銅、鈮/鈳組成的馬氏體沉淀硬化型不銹鋼，具有高強(qiáng)度、硬度和抗腐蝕等特點(diǎn)，在苛刻工況下經(jīng)常被選為閥內(nèi)件中的閥桿材料。

不同的材料及不同的硬化處理方法使得閥內(nèi)件硬度也不一樣，常溫下閥內(nèi)件的硬度見(jiàn)表1所列。

表1 常溫下閥內(nèi)件材質(zhì)的硬度及耐腐蝕性性能比較

2.2高溫時(shí)材質(zhì)選擇

高溫用鋼是指在高溫下具有較高強(qiáng)度和抗氧化性的鋼材，材料的抗氧化能力和高溫下硬度變化是首先應(yīng)該考慮的事項(xiàng)。根據(jù)規(guī)定要求，當(dāng)溫度高于300 ℃時(shí)，應(yīng)對(duì)閥內(nèi)件材料進(jìn)行硬化處理。高溫工況下確定材料時(shí)，應(yīng)注意所選材料的抗拉強(qiáng)度、屈服極限、蠕變和斷裂、高溫硬度、沖擊強(qiáng)度、高溫時(shí)效等。

1) 奧氏體不銹鋼是閥內(nèi)件的常用材料，鋼中的碳在高溫下可能轉(zhuǎn)變?yōu)槭?，因而?duì)于奧氏體不銹鋼只有當(dāng)含碳量超過(guò)0.4%時(shí)，才可以用于高溫工況。常用作閥芯材料的奧氏體不銹鋼有304SS和316SS等，使用溫度-196～425 ℃，常用的硬化處理方法有Stellite堆焊和鍍硬鉻，其中奧氏體鎳鉻不銹鋼310SS具有很好的抗氧化性、耐腐蝕性，因?yàn)楹休^高質(zhì)量分?jǐn)?shù)的鉻和鎳元素，擁有較好的多蠕變強(qiáng)度，所以在高溫下能持續(xù)作業(yè)(可以長(zhǎng)期工作在1250 ℃的高溫下)。

2) 馬氏體不銹鋼具備高強(qiáng)度和耐蝕性，使用溫度-28～437 ℃。因含碳較高，故具有較高的強(qiáng)度、硬度和耐磨性，但耐蝕性相對(duì)奧氏體不銹鋼稍差。用于力學(xué)性能要求較高、耐蝕性能要求一般的場(chǎng)合。常用作閥芯材料的馬氏體不銹鋼有410SS，416SS，420SS，440BSS，630SS，F(xiàn)91，F(xiàn)92等，其中F91和F92是馬氏體耐熱鋼，能夠在650 ℃下使用，具有出色的耐高溫腐蝕和抗氧化性能。

3) 鉻鉬鋼和鉻鉬釩鋼多用在高溫、高壓的場(chǎng)合，使用溫度-29～650 ℃，要求鋼在高溫下具有較好的抗蠕變強(qiáng)度和抗高溫氧化性。鉬能夠顯著提高鋼的熱強(qiáng)性能，在高溫時(shí)保持足夠的強(qiáng)度。鉻能夠防止碳在高溫下聚集成石墨析出，還能提高熱強(qiáng)性能、抗氧化性能及耐腐蝕性能。常用作閥芯材料的鉻鉬鋼有15CrMo，F(xiàn)11，F(xiàn)22等，多使用堆焊Stellite合金的硬化處理方法，如F11+堆焊Stellite合金。F22中鉻和鉬質(zhì)量分?jǐn)?shù)比F11高，因而抗高溫性能更好，通常在500 ℃以上的工況下使用F22材料。

4) Inconel合金鋼是高溫下閥內(nèi)件的理想材料，經(jīng)常使用的有Inconel600，Inconel625，Inconel750和Inconel718等。如Inconel718具有出色高溫強(qiáng)度和耐腐蝕性能，在700 ℃時(shí)具有高的抗拉強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度、抗蠕變強(qiáng)度和斷裂強(qiáng)度，1000 ℃時(shí)具有高抗氧化性。常使用熱處理的方法來(lái)達(dá)到最高拉伸和屈服強(qiáng)度，由于其抗拉強(qiáng)度高，Inconel718常用作高溫工況下的閥桿材料，而Inconel600，Inconel625和Inconel750則經(jīng)常用做閥芯材料，選材時(shí)除考慮材料本身特點(diǎn)外，還要顧及閥門制造商的實(shí)際情況。

不同閥內(nèi)件的使用溫度見(jiàn)表2所列。不銹鋼、硬質(zhì)合金及特種合金的材料有較好的高溫穩(wěn)定性，可根據(jù)不同的高溫工況，選用合適的閥內(nèi)件材料。

2.3高壓差時(shí)材質(zhì)選擇

在高壓差、高流速情況下，流體的大部分能量集中于閥內(nèi)件進(jìn)行釋放，閥內(nèi)件有超負(fù)載的可能，因此即使溫度是常溫，也應(yīng)評(píng)估材料的特性，使材料可以滿足該工況。一般來(lái)說(shuō)，常溫下當(dāng)壓差超過(guò)1.5 MPa時(shí)，應(yīng)將閥內(nèi)件的材料由316SS調(diào)整為316SS+Stellite合金堆焊或更高要求的合金；對(duì)于弱腐蝕性介質(zhì)，則可以選擇420SS+熱處理做閥芯材料。嚴(yán)重的氣蝕對(duì)閥內(nèi)件材料的磨損較大，對(duì)閥內(nèi)件的材質(zhì)要求非常高，對(duì)于籠式閥芯應(yīng)考慮使用不銹鋼表面硬化處理如滲氮等，使之具有較強(qiáng)的耐沖蝕性，提高閥門流量的精度和使用壽命。

同時(shí)，如果高壓差、高流速帶來(lái)氣蝕，即使是輕微的氣蝕，如果是連續(xù)的，最終仍將損壞閥內(nèi)件。沒(méi)有已知的材料能經(jīng)得起連續(xù)的、嚴(yán)重的氣蝕條件而不損壞，因?yàn)槠錄_擊力達(dá)到或超過(guò)了硬化的閥內(nèi)件或者硬度很大的碳化鎢保護(hù)層的屈服強(qiáng)度，該種工況對(duì)閥內(nèi)件的材料要求非常高，要求使用硬化的閥內(nèi)件來(lái)經(jīng)受較強(qiáng)烈的氣蝕，閥桿則常選擇具有較高強(qiáng)度、硬度和耐腐蝕性的材料如17-4PH等。即使是最硬的閥內(nèi)件，在嚴(yán)重的氣蝕下也應(yīng)要求有計(jì)劃地定期更換閥內(nèi)件。

表2 常用閥內(nèi)件材質(zhì)的硬化方式及使用溫度

2.4腐蝕性介質(zhì)閥內(nèi)件材質(zhì)選擇

氯離子腐蝕較為常見(jiàn)，奧氏體不銹鋼304SS，304LSS，316SS和316LSS可以防止低濃度下的氯離子腐蝕，使用溫度不高于150 ℃。在300 ℃以下的高濃度的氯離子則可以選擇雙相鋼如SAF2205，也可以使用鈦鉬鎳合金或者直接用工業(yè)純鈦。當(dāng)濃度過(guò)高或溫度高于300 ℃時(shí)，則需要考慮其他特殊材料。

氫腐蝕也是常見(jiàn)的腐蝕，應(yīng)該根據(jù)具體情況選擇合理的材料來(lái)避免或減輕這種腐蝕。氫原子擴(kuò)散到金屬內(nèi)部后結(jié)合形成氫分子，易引起鋼材表面鼓包甚至破裂，形成氫鼓包現(xiàn)象。原因是介質(zhì)中含有的硫化氫、砷化合物、氰化物或者含磷離子等會(huì)促進(jìn)放氫反應(yīng)。消除這些物質(zhì)可以預(yù)防氫鼓包，如果不能消除，可選用空穴少的鎮(zhèn)靜鋼、奧氏體不銹鋼或者采用襯里等保護(hù)層。在高強(qiáng)鋼中金屬晶格高度變形，氫原子進(jìn)入金屬后引起脆化，形成氫脆現(xiàn)象。選用對(duì)氫脆不敏感的材料如含Ni，Mo的合金鋼可以防止氫脆。在高溫、高壓環(huán)境下，氫進(jìn)入金屬內(nèi)與一種組分或元素產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)使金屬破壞形成氫蝕。選用抗氫鋼材料的閥內(nèi)件可以防止氫蝕，如16MnR，15CrMoR等。

此外，雙相鋼和強(qiáng)化奧氏體不銹鋼的抗腐蝕性能較好。雙相鋼是馬氏體或奧氏體與鐵素體基體兩相組合構(gòu)成的鋼，與316LSS和317LSS奧氏體不銹鋼相比，雙相鋼在抗腐蝕方面的性能更優(yōu)越，熱膨脹系數(shù)低，耐壓強(qiáng)度是其2倍，但雙相鋼的使用溫度不應(yīng)超過(guò)250 ℃。閥內(nèi)件經(jīng)常使用的雙相鋼有SAF2205，SAF2507等，也可以使用堆焊Stellite合金進(jìn)行硬化處理。SAF20910是一款氮強(qiáng)化奧氏體不銹鋼，其抗腐蝕性能優(yōu)于316SS，316LSS，317SS和317LSS，且室溫下屈服強(qiáng)度幾乎是它們的2倍。

可以根據(jù)參考材料的腐蝕性規(guī)定或工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行閥內(nèi)件的選材，如尿素裝置的氨基甲酸銨和尿素溶液的調(diào)節(jié)閥，由于介質(zhì)的腐蝕性較強(qiáng)，閥芯材料可選擇316LMOD，HVD-1，17-4PH，F(xiàn)erralium255，25Cr22Ni2Mo等。在磷酸的閥內(nèi)件的材料選擇上，考慮到磷酸的腐蝕性，多選用316LSS和CD4MCu。對(duì)于腐蝕性較強(qiáng)的稀硫酸溶液，閥內(nèi)件則多選用哈氏合金B(yǎng)、哈氏合金C和Alloy20。

3 結(jié)束語(yǔ)

閥內(nèi)件磨損及材質(zhì)選擇關(guān)系到閥門的使用好壞及使用壽命。因此，閥門設(shè)計(jì)人員應(yīng)充分了解閥門原理，在設(shè)計(jì)合理的閥芯結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，選擇正確的閥內(nèi)件材料，有利于閥門的使用和維護(hù)。筆者重點(diǎn)探討了在不同工況下閥內(nèi)件材質(zhì)的選擇，供同行設(shè)計(jì)人員參考。

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第十屆賽默飛AA/ICP用戶會(huì)暨

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WearofTrimandSelectionofTrimMaterials

Guo Fei,Wang Qiming

(Wuhuan Engineering Co.Ltd., Wuhan, 430223, China)

The wear of trim has a direct bearing on the performance of valves. It is much more serious especially in severe process condition. The reasons of trim wear are investigated completely, from the performance of different trim materials, the property of different trim materials and hardening methods are discussed, and the selection of trim materials in severe process condition is stressed. Based on the correct selection of valve plug style, the wear of trim can be decreased markedly by selecting the material of the valve reasonably. As a result, the service life of valves can be elongated and the performance of valves can be improved.

trim; wear; hardening；severe process condition

稿件收到日期：2013-02-01，修改稿收到日期2013-06-24。

郭非(1982—)，男，河南商丘人，2008年畢業(yè)于鄭州大學(xué)自動(dòng)化專業(yè)，獲碩士學(xué)位，現(xiàn)工作于中國(guó)五環(huán)工程有限公司電控室，任工程師。

TH138.52

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1007-7324(2013)05-0057-04