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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。由于高壓技術的廣泛使用, 超高壓系統中的超高壓閥門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。超高壓閥門的主要失效原因為氣蝕和沖蝕磨損, 而影響氣蝕和沖蝕的因素很多, 主要有材料的力學性能、流體力學因素和環境影響。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有耐酸蝕保護膜的材料。③屈服點高、穩定性好的材料。④疲勞強度高的材料。要提高材料的各種性能, 一是采用合金化, 二是采用適當的熱處理。合金化法是通過改變鋼的化學成分, 研制各種特殊性能的新材料。熱處理法是不改變鋼的化學成分, 而是對鋼在固態下施以不同的加熱、保溫和冷卻, 以改變鋼的組織結構, 提高材料的性能。
選擇超高壓閥門過流部件材質時, 應考慮流速 (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。隨著工業用陶瓷技術的開發成功, 也出現了陶瓷材料閥門。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, 不僅要考慮其錐度的大小同時要考慮其強度。
采用新結構:(1) 采用自緊式密封一般超高壓卸荷閥工作時, 閥瓣在介質壓力作用下受到一個向上的推力, 系統中壓力越高所受向上的推力越大, 密封面的比壓就越低。并且閥門在關閉的瞬間受到控制壓力的作用, 對閥座產生很大的沖擊力, 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沖刷, 降低了沖蝕磨損。閥門關閉時, 閥瓣只受小彈簧的彈力作用, 使得閥瓣對閥座的沖擊力很小, 密封面不易受損, 提高了閥門使用壽命。由于其結構簡單, 工作可靠, 能保證閥門在超高壓下工作時的穩定性。
(2) 采用楔形閥瓣從力學上分析, 因為錐形閥是懸臂梁, 在高壓高速流體的沖擊下, 在高頻振動下容易產生振動和疲勞斷裂。楔形閥的結構如圖3 所示, 其閥芯為一斜面切割圓柱閥芯而形成, 該種形狀從力學角度分析, 相當于一個簡支梁, 由于其閥瓣下端緊貼閥座, 這樣閥瓣的振動很小或很難發生振動, 因而與錐形閥相比楔形閥在操作過程中的穩定性好。
另外, 閥座及閥出口設計成文丘里噴嘴形, 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。如果有閃蒸現象, 則不易采用底近側出流向。采用新的結構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, 結構應越簡單。
為了延長超高壓閥門的使用壽命, 還要考慮其工況環境。 (1) 避免閥在小開度下工作, 若閥針開啟升程小或開啟動作緩慢, 在小開度下工作, 節流間隙小, 沖蝕嚴重, 適當加大鎖緊機構的螺距, 加大開啟速度和升程, 工作開度增大, 使節流間隙大, 沖刷減弱, 可提高使用壽命。 (2) 避免閥在高溫介質下工作, 介質溫度對閥的壽命影響很大, 介質溫度越高, 閥的壽命越短, 反之越長。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, 使用與之相應的密封壓力, 選擇合適的密封比壓, 使用力矩扳手進行鎖緊, 或實現閥的自動化控制, 這樣可以避免閥針在未受到沖刷磨損時與閥座擠壓而損傷。 (4) 定時過濾高壓介質和清洗過濾器, 加液體時應用過濾器進行過濾。經常使用時, 應適當縮短周期。定期清洗油箱, 同時更換新介質, 根據設備工作的實際情況可縮短清洗和換油周期。 (5) 安裝或更換針閥時要對其進行適當的清洗。以免帶入雜物, 加速閥針的磨損。
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