嚴(yán)苛工況用耐磨球閥常見故障與改進(jìn)方案研究

陳長奔，葉凱強(qiáng)，葉顯斌，陳忠信，江凱，許誠豪

（歐維克集團(tuán)有限公司，浙江 溫州 325100）

0 引言

閥門是流體系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，一般用于啟閉管路、流向切換和調(diào)節(jié)工藝參數(shù)，對各工藝類系統(tǒng)具有非常重要的作用。本文通過對嚴(yán)苛工況用耐磨球閥（共計600臺）進(jìn)行維修，歸納了嚴(yán)苛工況用耐磨球閥的常見故障，并對此類故障進(jìn)行分析，針對這些故障提出嚴(yán)苛工況用耐磨球閥的改進(jìn)方案并進(jìn)行探討。

1 嚴(yán)苛工況用耐磨球閥使用工況與結(jié)構(gòu)原理

耐磨球閥除了具備常規(guī)球閥流阻小、啟閉方便快捷、密封性好等優(yōu)點外，還具備耐高溫、密封副耐磨損、自清潔功能等特點，廣泛應(yīng)用于高溫、粉塵介質(zhì)或含雜質(zhì)液體等嚴(yán)苛工況工藝系統(tǒng)。嚴(yán)苛工況用耐磨球閥多使用于高溫工況（溫度最高可達(dá)670 ℃），介質(zhì)中帶有粉塵介質(zhì)（最小顆粒20～50 μm）的工藝系統(tǒng)。由于使用工況非常惡劣，耐磨球閥在工藝系統(tǒng)中的使用壽命往往不長，尤其是閥門的耐磨性能、密封性能和操作穩(wěn)定性因受嚴(yán)苛工況的影響而不能得到保證，閥門整體結(jié)構(gòu)和性能亟待優(yōu)化。

耐磨球閥一般分為浮動球式結(jié)構(gòu)和固定球式結(jié)構(gòu)。這兩種結(jié)構(gòu)的耐磨球閥都是以球體作為啟閉件，對應(yīng)有活塞結(jié)構(gòu)的閥座，球體和閥座的密封副具有硬質(zhì)合金噴涂層，該密封副經(jīng)過鏡面式研磨工藝，具備良好的密封效果；都是通過執(zhí)行機(jī)構(gòu)動作，驅(qū)動傳動鏈（閥桿）轉(zhuǎn)動從而帶動球體，使閥門完成啟閉的工作狀態(tài)。無論哪種結(jié)構(gòu)的耐磨球閥長期使用于嚴(yán)苛、惡劣工況，都面臨密封面磨損嚴(yán)重、密封件使用壽命短、閥座彈簧腔粉塵堆積導(dǎo)致的密封失效、傳動鏈區(qū)域粉塵堆積導(dǎo)致的密封副泄漏、閥門轉(zhuǎn)矩異常增大甚至卡死等問題[1]。

2 耐磨球閥常見故障及故障分析

2.1 閥門執(zhí)行機(jī)構(gòu)損壞、變形

該故障多存在于執(zhí)行機(jī)構(gòu)為手柄的閥門，部分執(zhí)行機(jī)構(gòu)為蝸輪頭的閥門也存在此類情況。該故障原因為：閥門長期在嚴(yán)苛工況中使用，閥門轉(zhuǎn)矩隨著嚴(yán)苛工況的影響越來越大，當(dāng)閥門的啟閉轉(zhuǎn)矩施加在手柄上的扭應(yīng)力大于手柄（手輪）的許用扭應(yīng)力時，強(qiáng)制的啟閉力對手柄（手輪）造成不可恢復(fù)的扭曲變形或斷裂，影響閥門的正常啟閉。

2.2 閥門外漏

該故障多存在于閥桿動密封區(qū)域，部分閥門中法蘭靜密封區(qū)域也會出現(xiàn)此種故障，本批次5%的維修閥門存在此類情況。通過拆解閥門并檢查內(nèi)部各零部件發(fā)現(xiàn)，閥門的外泄漏原因為：1）法蘭靜密封區(qū)域泄漏的閥門的密封件（金屬石墨墊）均出現(xiàn)不同程度的高溫氧化現(xiàn)象，導(dǎo)致密封失效；2）閥桿動密封區(qū)域泄漏的閥門，除了密封件（柔性石墨）出現(xiàn)高溫氧化現(xiàn)象外，閥桿與填料密封區(qū)域的金屬表面存在晶間腐蝕現(xiàn)象，造成密封失效（如圖1）。因此閥門的各零部件材料選用對閥門的密封性能起到至關(guān)重要的作用。

圖1 被氧化的石墨和密封區(qū)域被腐蝕的閥桿

2.3 閥門內(nèi)泄漏

本批次98%的閥門存在閥門內(nèi)泄漏，該情況為閥門最常見的故障之一。通過拆解閥門并檢查各零部件發(fā)現(xiàn)，閥門內(nèi)漏原因為：1）閥座和球體被沖蝕破壞。閥門的球體和閥座應(yīng)用于嚴(yán)苛工況系統(tǒng)，長期受系統(tǒng)中高速流動的顆粒介質(zhì)沖撞或沖刷，造成球體、閥座和密封面破壞，導(dǎo)致泄漏。2）閥門密封副硬質(zhì)合金噴涂層被嚴(yán)重磨損，嚴(yán)苛工況閥門需要做頻繁的啟閉動作，造成密封面表面的硬質(zhì)合金涂層被磨除或脫落，導(dǎo)致密封失效（如圖2）。3）閥座密封圈材質(zhì)（石墨）在高溫工況中被氧化，閥座和閥座密封圈接觸的密封區(qū)域受工況影響而產(chǎn)生不同程度的晶間腐蝕現(xiàn)象（金屬表面坑坑洼洼），這兩個零件的損壞或失效造成閥門內(nèi)泄漏（如圖1）。因此合理選擇密封件和密封副硬質(zhì)合金噴涂層材料能夠大幅度提高閥門的密封性能和使用壽命。

圖2 球體和閥座被沖蝕和密封面磨損

2.4 閥門無法啟閉及閥桿扭曲變形（斷裂）

本批次20%的閥門存在此類故障，表現(xiàn)為閥桿扭曲變形或斷裂（如圖3）。原因是閥門處于以下嚴(yán)苛工況：1）處于高溫工況時，閥門中各零部件隨著溫度升高而發(fā)生膨脹，各零部件互相卡死，造成閥門無法正常啟閉；2）處于粉塵介質(zhì)工況時，介質(zhì)中的粉塵或固體顆粒隨著閥門長期使用，逐漸在閥座與閥體之間、閥桿與閥體之間、密封副和閥門內(nèi)腔等區(qū)域堆積，造成閥桿和密封面磨損破壞，使閥門的轉(zhuǎn)矩越來越大，直至卡死；3）處于強(qiáng)腐蝕性介質(zhì)工況時，閥門的密封副和閥桿被介質(zhì)長期腐蝕，造成球體與閥座表面的硬質(zhì)合金噴涂層脫落，閥桿與填料及軸承配合的表面不再光滑，使閥門的轉(zhuǎn)矩增大，直至卡死。當(dāng)轉(zhuǎn)矩對閥桿造成的扭應(yīng)力超過閥桿材料能夠承受的最大扭應(yīng)力時，閥桿將會產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的扭曲形變甚至斷裂。因此在閥桿設(shè)計計算時須保留足夠的安全系數(shù)，來抵消閥門長時間處于惡劣工況時閥門轉(zhuǎn)矩異常升高。

圖3 閥桿扭曲變形和斷裂

2.5 其它故障

除了常見的執(zhí)行機(jī)構(gòu)變形或損壞、閥門外泄漏和閥門內(nèi)泄漏等故障外，還發(fā)現(xiàn)以下幾處較為嚴(yán)重的故障及安全隱患：1）嚴(yán)苛工況耐磨球閥多應(yīng)用于易燃易爆、高溫、顆粒介質(zhì)等工藝系統(tǒng)，可見工藝系統(tǒng)對閥門的密封性能要求非常高，因此球體須為帶圓柱形內(nèi)孔的實心球[2]，空心球體是禁止使用的，嚴(yán)重變形的空心球不僅影響閥門的密封性能，更對安全生產(chǎn)和人身安全造成巨大威脅；2）閥門各零件的材料應(yīng)根據(jù)實際工況去選用，不合理的選材亦會造成安全隱患，如馬氏體不銹鋼對腐蝕性介質(zhì)的抗腐蝕性能不理想，應(yīng)選擇更耐腐蝕的奧氏體不銹鋼等材料，防止零部件因長期使用而被腐蝕破壞，影響閥門整機(jī)的使用壽命（如圖4）。

圖4 嚴(yán)重變形的空心球和被介質(zhì)腐蝕的閥桿

3 嚴(yán)苛工況用耐磨球閥改進(jìn)方案

閥門的選用及設(shè)計不僅需要考慮閥門的結(jié)構(gòu)及閥門整機(jī)性能是否能夠滿足工況的要求，更應(yīng)考慮各零部件的材料選用，合理的選材往往能夠大幅度延長閥門整機(jī)的使用壽命和維護(hù)周期。通過對本批次維修閥門故障現(xiàn)象進(jìn)行統(tǒng)計及分析，對嚴(yán)苛工況用耐磨球閥設(shè)計提出以下幾點改進(jìn)方案：

1）嚴(yán)苛工況用耐磨球閥的結(jié)構(gòu)和零部件材料的選擇應(yīng)充分考慮工藝系統(tǒng)的設(shè)計參數(shù)，如：工況操作溫度，介質(zhì)是否含有粉塵或固體顆粒，是否具有腐蝕性等因素。這些因素將直接決定了采用何種耐磨球閥結(jié)構(gòu)及各零部件材料的選擇和相應(yīng)的生產(chǎn)制造工藝。以煤化工用耐磨球為例，該工況下要求閥門應(yīng)具有耐沖蝕、耐磨、防結(jié)疤和快速切斷等功能[3]，閥門密封副硬質(zhì)合金噴涂層材料和噴涂工藝顯得尤為重要。目前耐磨球閥金屬密封副多采用超音速火焰噴涂工藝（HVOF）噴涂碳化鎢（TC）、Ni基合金和Stellite合金等材料，超音速火焰噴涂技術(shù)是利用經(jīng)過特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計的噴嘴，由高速燃?xì)饬骷訜岵⒓铀儆操|(zhì)合金粉末噴涂至基體表面，硬質(zhì)合金粉末覆蓋并緊貼在基體表面的凹凸點上，形成一層結(jié)合強(qiáng)度高，致密性好的涂層[4]。該工藝成型的硬質(zhì)合金涂層和基體材料為機(jī)械式結(jié)合而非金屬熔融，若孔隙率和結(jié)合強(qiáng)度無法達(dá)到規(guī)定要求，密封面的耐磨性和使用壽命將會大大降低。

2）對于高溫工況的閥門，通常采用石墨環(huán)和金屬+石墨纏繞墊等作為閥門的密封件，閥門密封結(jié)構(gòu)和密封件材料的選用決定了閥門的密封效果，常規(guī)石墨材料使用溫度低于400 ℃，隨著工況溫度升高，石墨材料將會發(fā)生氧化反應(yīng)并造成閥門密封失效，因此當(dāng)溫度高于400 ℃時，須采用更為合理的密封方案或密封材料來保證閥門的密封性能[5]。高溫對球體和閥座密封副的硬質(zhì)合金涂層也有很大的影響，不同材料的硬質(zhì)合金都有不同的最高使用溫度，溫度過高更會對硬質(zhì)合金涂層的孔隙率和結(jié)合強(qiáng)度產(chǎn)生重大影響，大大降低了密封副的耐磨性和使用壽命。

3）對于含顆粒或粉塵介質(zhì)工況的閥門，須考慮顆粒或粉塵在閥門內(nèi)部堆積對閥門密封性能和閥門啟閉的影響。閥門啟閉時依附在球體表面的顆粒或粉塵易進(jìn)入密封副，尤其是顆粒介質(zhì)的硬度高于密封副硬質(zhì)合金噴涂層的硬度時，高硬度的顆粒介質(zhì)將直接將密封面劃傷，造成密封副泄漏。在長期使用后，顆粒或粉塵易堆積在閥門體腔內(nèi)，尤其是閥座與閥體之間、彈簧與閥體之間、閥桿和閥體之間的粉塵堆積。閥座與閥體之間、彈簧與閥體之間堆積的顆粒或粉塵將使活塞閥座不再具備活塞效應(yīng)，造成閥門內(nèi)泄漏；閥桿和閥體之間堆積的顆粒或粉塵不僅會劃傷閥桿表面并造成閥桿動密封泄漏，還會使閥門的轉(zhuǎn)矩越來越大，直至無法正常啟閉。針對顆粒或粉塵介質(zhì)工況，一是建議閥座采用刮刀結(jié)構(gòu)設(shè)計，該結(jié)構(gòu)的閥座設(shè)計有鋒利的刮刀對球體進(jìn)行自刮擦和清潔，防止黏附在球體表面的粉塵顆粒進(jìn)入球體和閥座密封副內(nèi)而劃傷密封面，確保閥門的密封效果。二是建議閥座與閥體、閥桿（啟閉件）與閥體位置均采用防塵結(jié)構(gòu)設(shè)計（如圖5），防止粉塵顆粒進(jìn)入彈簧腔影響閥門的密封性能和高溫回縮功能，防止因粉塵顆粒進(jìn)入閥桿和閥體間而造成閥門無法正常啟閉，延長了閥門的維護(hù)周期和使用壽命[6]。

圖5 刮刀設(shè)計的閥座和防塵結(jié)構(gòu)

4）對于零件受介質(zhì)沖蝕比較嚴(yán)重的工況，主要考慮減少多相流介質(zhì)對密封副區(qū)域的沖撞或沖刷，建議在閥門進(jìn)口端采用錐形縮口設(shè)計（喇叭口結(jié)構(gòu)）[7]，可以將介質(zhì)的流體沖擊方向往流道中間聚攏，減輕了密封副零部件（閥座和球體）受介質(zhì)沖蝕的傷害（如圖6），延長了閥門的維護(hù)周期和使用壽命。

圖6 錐形縮口設(shè)計的流體模擬分析

4 結(jié)語

通過對本批次嚴(yán)苛工況用耐磨球閥進(jìn)行維修，總結(jié)歸納了該類閥門常見的故障并進(jìn)行簡要分析，提出了嚴(yán)苛工況用耐磨球閥的設(shè)計建議和改進(jìn)方案，對提升嚴(yán)苛工況用耐磨球閥的設(shè)計制造水平具有重要意義。