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超高壓閥門失效分析以及改良方法!

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發布日期:2018-09-28 00:00 來源://www.scfru.com 點擊:

新快3怎么玩 www.scfru.com 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

1。由于高壓技術的廣泛使用, 超高壓系統中的超新快3怎么玩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。分析其失效形式并找到合理的解決辦法,有利于提高產品的質量和壽命。




2  結構


        超高壓針閥一般采用角形單座結構, 加工簡單, 閥座容易配換, 閥芯為單導向結構(圖1) 。閥門角形單座結構流路簡單, 阻力小, 適用于高壓差、高粘度、含懸浮物和顆粒狀物質流體, 可以避免結焦和堵塞, 也便于自凈和清洗〔2〕。閥芯和閥座是超高壓針閥進行開關控制的兩個核心零件, 組成超高壓針閥開關的動密封副。通過控制閥芯與閥座之間錐形密封面的接觸與分離, 實現閥通道的關閉和開啟。閥芯與密封圈之間的圓周密封面構成閥的滑動密封副, 用于保障閥室與外界的密封。閥芯采用針形, 靠錐面密封, 一般閥芯錐角為59°, 閥座錐角為60°。實驗證明在開錐孔時, 錐角選取45°~60°時, 孔邊緣的大應力集中系數小, 且使大應力出現在錐孔的小端。閥座錐角大, 閥芯錐角小時, 靠上表面密封, 有利于提高閥的使用壽命.


     




3  針閥失效形式


         在閥的閥芯材料為GCr 15, 其硬度為50 HRC。通過目測, 在未使用前, 密封面光滑,其粗糙度為Ra 018μm , 閥芯端部較尖銳。使用后其失效形式有閥芯彎曲變形或沖斷, 閥芯碎裂、出現凹坑或溝痕等(圖2) , 導致閥門泄漏。




 針閥失效形式


4  分析


411  閥芯彎曲變形和碎裂


        針閥閥芯彎曲變形和密封面碎裂主要是加工時閥芯與閥座存在同軸度誤差或錐面誤差造成的。盡管由于密封預緊力的作用, 閥芯彈性變形使得兩密封面實現密封, 但當針閥開啟時, 受其同軸度誤差影響, 超高壓液流噴出時, 閥芯徑向受力不同, 使得閥芯產生彎曲變形, 甚至沖斷。閥芯碎裂的原因一是材料熱處理不當, 使材料脆性增大。另外是由于所用針閥開關為手動, 在密封時受力過大, 與閥座擠壓造成碎裂。




412  密封面磨損


密封面磨損與氣蝕、沖蝕和高溫腐蝕有關。


(1) 氣蝕與氣蝕磨損


        針閥通常在高壓差下工作, 閥芯與閥座接觸環附近的流速極高, 而且水的汽化壓力又高, 所以在超高壓閥中很容易產生空化與閃蒸。當打開閥門時, 高壓液體突然釋放, 流速急劇增加, 而靜壓力驟然下降。當節流口后壓力達到或低于水所在情況下的飽和蒸汽壓時, 部分液體就汽化成為氣體, 形成氣液兩相共存的現象, 這是空化作用的首階段, 即閃蒸階段。第二階段是這些氣泡的破裂, 即空化階段。在這一階段閥后壓力升高到飽和蒸汽壓以上, 氣泡突然破裂, 所有的能量都集中在破裂點上產生極大的沖擊力, 這種沖擊壓力高時甚至可以超過1GPa〔2 、4〕。因此沖撞閥芯、閥座和閥體,這種破壞作用稱為氣蝕。另外液體內含有一定數量的氣泡, 這些氣泡也會造成氣蝕。液體中氣蝕在錐形閥芯和閥座上產生兩種形式的侵蝕, 一種是大尺寸的凹坑, 是由單個氣泡的破裂造成的; 另一種是一些較小的凹坑, 是由一些強度較弱的沖擊累積作用而成的〔4〕。因此, 失效后的閥芯表面有大小不等的凹坑。氣蝕的破壞速度與材料的力學性能有關。對大多數材料來說, 抗氣蝕能力隨材料硬度的提高而提高, 兩者之間大致成指數關系〔4〕。氣蝕破壞與材料的疲勞強度也有關, 這是因為不斷生成的氣泡不斷崩潰, 對零件的表面產生重復性的沖擊。另外,水中氧氣的含量, 閥芯的形狀, 閥口開度, 出口背壓等對氣蝕都有影響〔4〕。




(2) 沖蝕磨損


         由于在高壓差和高流速下, 液體的雷諾數很高, 極易形成湍流運動〔5〕。流體中每一流體微團都具有極高的速度, 會對閥芯與閥座產生巨大的沖擊作用, 使其表面形成一道道溝痕。另外, 液體中還可能存在一些固體微小顆粒, 這些顆粒由高速液流攜帶著沖向零件表面, 也會在零件表面刮出痕跡。高速水流造成的侵蝕和微小顆粒造成的侵蝕形狀上基本相同, 都是一條條拉長的溝槽, 其方向與流動方向一致, 而氣蝕產生的侵蝕則是大大小小的坑。沖蝕嚴重的地方是在閥芯的中心, 因為此處流速高, 而氣蝕侵蝕嚴重的地方則在流速高部位的下游。另外, 閥門開度越大, 氣蝕侵蝕越嚴重。而開度越小, 沖蝕越嚴重〔4〕。一般來說, 材料的硬度越高, 抗沖蝕的能力就越強。


(3) 高溫腐蝕


        當高速水流沖擊閥芯表面時, 表面溫度升高,使其硬度降低, 抗磨損能力隨之降低, 導致氣蝕與沖蝕更為嚴重。要提高閥的抗氣蝕、沖蝕磨損及高溫腐蝕的能力, 對閥座與閥芯可進行表面硬化處理或采用工具鋼及硬質合金等材料, 在結構上可采用分級降壓、設計合理的緩沖室結構和避免空化的結構。




5  改良辦法


 A、熱處理與表面硬化處理


  對于超高壓閥門使用的材料, 通常采用熱處理和表面硬化處理方法提高其抗擠壓和耐沖蝕性能。


真空熱處理


 真空熱處理是指將工件置于真空中進行的熱處理工藝。真空熱處理在加熱中不產生氧化、脫碳及其他腐蝕, 而且具有凈化表面脫油除脂的作用。在真空中能將材料在冶煉過程中吸收的氫、氮和氧等氣體脫出, 提高材料的質量和性能〔3〕。如將W18Cr4V 制作的超高壓針閥進行真空熱處理后,有效地增加了針閥的沖擊韌性, 同時提高了力學性能和使用壽命〔4〕。


表面強化處理


 為了提高零件的性能, 除了改變材質以外, 更多的是采用表面強化處理方法。如表面淬火(火焰加熱、高中頻加熱表面淬火、接觸電加熱表面淬火、電解液加熱表面淬火、激光電子束加熱表面淬火等) 、滲碳、氮化、氰化、滲硼、滲金屬( TD法) 、激光強化、化學氣相沉積(CVD 法) 、物理氣相沉積( PVD 法) 、等離子體化學氣相沉積(PCVD) 和等離子噴涂等。




(1) 物理氣相沉積( PVD 法)  在真空中應用蒸鍍、離子鍍、濺射等物理方法產生金屬離子,這些金屬離子在工件表面沉積, 形成金屬涂層, 或與反應器反應形成化合物涂層, 這種處理工藝方法稱為物理氣相沉積, 簡稱PVD 法。此方法沉積溫度低, 處理溫度400~600 ℃, 變形小, 對零件的基體組織及性能影響小。利用PVD 法在W18Cr4V制造的針閥上沉積TiN層, 則TiN層極高的硬度(2 500~3 000HV) 和高耐磨性, 提高了閥門抗腐蝕性, 在稀的鹽酸、硫酸、硝酸中不受浸蝕, 能保持光亮表面。PVD 處理后覆蓋層精度很好??裳心ヅ墜? 其表面粗糙度為Ra018μm , 拋光后可達到0101μm〔6〕。




(2) 滲金屬法 將工件置于添加有擴散元素或其合金的硼砂沐浴中, 在工件表面形成V、Nb、Cr 、Ti 等高硬度碳化物層, 這種處理工藝方法稱為滲金屬( TD) 法。該工藝穩定性好, 無公害,零件表面清潔, 是一項行之有效的表面超強度硬化技術, 從而極大地提高零件的使用壽命。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, 其耐蝕性和抗氧化性強


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