上海滬工閥門廠（集團(tuán)）有限公司
一、概述
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)理學(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)椋瑲馕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。
二、材料選擇
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：
- 硬度高的材料。
- 有耐酸蝕保護(hù)膜的材料。
- 屈服點(diǎn)高、穩(wěn)定性好的材料。
- 疲勞強(qiáng)度高的材料。
要提高材料的各種性能，一是采用合金華，二是采用適當(dāng)?shù)臒崽幚�。合金化法是通過(guò)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。
三、熱處理與表面硬化處理
對(duì)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。
1、真空熱處理
真空熱處理是指將工件置于真空中進(jìn)行的熱處理工藝。真空熱處理在加熱中不產(chǎn)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(guò)程中吸收的氫、氮和氧扽氣體脫出，提高材料的質(zhì)量和性能。如：將 W18Cr4V 制作的超高壓針閥進(jìn)行真空熱處理后，有效地增加了針閥的沖擊任性，同時(shí)提高了力學(xué)性能和使用壽命。
2、表面強(qiáng)化處理
為了提高零件的性能，除了改變材質(zhì)以外，更多的是采用表面強(qiáng)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(qiáng)化、化學(xué)氣相沉積（CVD 法）、物理氣相沉積（PVD 法）、等離子體化學(xué)氣相沉積（PCVD 法）等離子噴涂等。
物理氣相沉積（PVD 法）
在真空中應(yīng)用蒸鍍、離子鍍、濺射等物理方法產(chǎn)品金屬離子，這些金屬離子在工件表面沉積，形成金屬涂層，或與反應(yīng)器反應(yīng)形成化合物涂層，這種處理工藝方法稱為物理氣相沉積，簡(jiǎn)稱 PVD 法。此方法沉積溫度低，處理溫度 400~600℃，變形小，對(duì)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，而 TiN 層有極高的硬度（2500~3000HV）和高耐磨性，提高了閥門抗腐蝕性，在稀的鹽酸、硫酸、硝酸中不受侵蝕，能保持光亮表面。PVD 處理后覆蓋層精度很好。可研磨拋光，其表面粗糙度為 Ra0.8µm，拋光后可達(dá)到 0.01µm。
滲金屬法
將工件置于添加有擴(kuò)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(wěn)定性好，無(wú)公害，零件表面清潔，是一項(xiàng)行之有效的表面超強(qiáng)度硬化技術(shù)，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最強(qiáng)。
滲入法
滲入法可使零件表面形成致密的滲層，既能夠提高零件表面的硬度、耐磨性和疲勞能力，還能提高非不銹鋼零件的耐蝕性及不能淬火材質(zhì)零件的硬度，是提高超高壓閥門部件壽命的有效途徑。
激光表面處理
激光表面處理技術(shù)可以改善材料表面的力學(xué)性能、冶金性能和物理性能，從而提高零件的耐磨、耐蝕和耐疲勞等性能，以滿足不同工況的使用要求。激光表面處理是采用大功率密度的激光束以非接觸性的方式加熱材料表面，實(shí)現(xiàn)其表面改性的工藝方法。激光表面處理又分為激光淬火、激光表面熔凝和激光表面合金化。對(duì) W18Cr4V 高速鋼進(jìn)行激光表面熔凝，功率大于 1200W 使表面微熔，硬度可提高到 70HRC，而普通淬火的硬度為 62~64HRC。
四、采用新工程材料
選擇超高壓閥門過(guò)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任性，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 1034MPa 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，但由于閥針錐度減少，其端部強(qiáng)度也隨之減少，閥針與閥座的支反力也減少，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)也要考慮其強(qiáng)度。
五、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)中壓力越高所受到向上的推力越大，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(guò)程種的穩(wěn)定性更好。
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，減少閥前發(fā)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。
六、結(jié)語(yǔ)
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：
- 避免閥門在小開度下工作，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。
- 避免閥門在高溫介質(zhì)下工作，介質(zhì)溫度對(duì)閥門的壽命影響很大，介質(zhì)溫度越高，閥門的壽命越短，反之越長(zhǎng)。因此在卸壓閥處加冷卻裝置，也可明顯的提高閥門的使用壽命。
- 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)閥門的自動(dòng)化控制，這樣避免閥針在未受到?jīng)_刷磨損時(shí)與閥座擠壓而損傷。
- 定時(shí)過(guò)濾高壓介質(zhì)和清潔過(guò)濾器，加液體使應(yīng)用過(guò)濾器進(jìn)行過(guò)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。
- 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，加速針閥的磨損。