球閥密封副表面磨損與泄漏關系的試驗分析

龐志銘

艾默生過程管理(天津)閥門有限公司

球閥密封副表面磨損與泄漏關系的試驗分析

龐志銘

艾默生過程管理(天津)閥門有限公司

磨損是存在于自然界的一種普遍現象。其特征可以簡單地認為是“物質的移除”。在工程科學領域，磨損則作為一種常見的、重要的失效方式被廣泛研究，目的在于通過對磨損機理的認知，發展相關的理論和方法，以此為依據合理地開發和設計產品，最大程度地降低磨損現象帶來的不利影響，提高產品質量延長產品壽命。在流體控制工程領域，閥門是整個系統的執行元件，作為一種用于密閉或者控制流體介質的機械產品，磨損現象不可避免，尤其對密封結構處的金屬或非金屬材料磨損的分析、評估和設計凸顯重要，本文使用一種特定的密封結構設計來觀察和分析材料磨損對密封性能的影響程度。

表面磨損；泄漏關系；試驗分析

在摩擦學研究中，磨損同摩擦和潤滑并列成為三大組成部分，以Archard，J.F為代表的經典理論初步形成于二十世紀中葉，定義了磨損體積量與載荷、相對運動距離以及材料硬度的關系。在工程應用領域，人們試圖通過試驗的方式確定磨損機理并將磨損抗力作為材料的屬性之一在設計中加以應用，但大量試驗表明，眾多與材料本身和外在條件相關的因素對磨損程度的不確定具有非常大的影響。當接觸條件產生的微小變化被引入到摩擦系統中時，磨損程度將產生巨大的變化[1]，因此磨損抗力的概念并未如同抗拉強度、延伸率和硬度等指標一樣作為材料的屬性加以標準化。應用試驗對比的方法對于某些一般性的復雜的工程狀況也并不可靠，但如果采用針對性的試驗方法對于特定的工程狀況進行分析是具有意義的。

在流體控制工業中，閥門的應用不勝枚舉，其中對于密封性能和使用壽命普遍具有較高的要求，而磨損現象對于兩者的影響起到重要的作用。因為閥門在工作過程中密封副(形成密封結構的一個或者多個零件，比如溢流閥的閥芯和閥座)周圍的載荷、接觸面積、相對運動速度、溫度及熱傳導等因素的不斷變化，使得利用經典理論的方法難以對實際的工程應用進行準確的分析，所以采用試驗模擬的方法在一定程度上可以提供直觀的工程依據，數據采集后再結合經典理論進行分析、歸納、總結出相應的方法(包括數學公式和圖表)，作為此類閥門設計中對磨損失效預測的工具。在本篇論述中，僅包括試驗模擬部分，即對閥門密封副的磨損現象進行定性分析，相關定量分析將在其他論述中進行說明。

在本次試驗模擬中采用的閥門類型為球閥，閥芯與閥座的材料均為金屬，閥門啟閉的過程中閥芯與閥座始終接觸，閥門的啟閉由氣動執行機構驅動，在模擬過程中，使得閥門不間斷的進行動作實現連續的開啟和閉合，以觀察球面材料的磨損情況。在若干次連續開啟閉合之后，對閥門進行泄漏測試以確定其值是否符合標準值。通過對照密封副的磨損狀態和泄漏值可以定性地分析磨損失效形式對閥門泄漏的影響程度。

磨損類型

磨損是一種在載荷作用下，當一種固體相對另一種固體、液體或者氣體產生接觸并且相對運動時，物質從固體表面上逐步損失的現象[2]。

根據磨損機理的不同，磨損可以分為以下四種類型(Burwell 1957/58)

1.黏著磨損

2.磨粒磨損

3.疲勞磨損

4.腐蝕磨損

從宏觀的角度也可將磨損類型分為機械磨損、化學磨損和熱磨損，幾乎所有的磨損模型中均包括這三種磨損類型。

一、黏著磨損

圖1

滲碳表面產生的黏著磨損，并伴有磨粒磨損。

黏著磨損發生在兩個緊密接觸并出現塑性變形的兩個表面上，當載荷足夠大時，材料表面的氧化膜遭到破壞導致兩個面上的金屬直接接觸，隨后金屬產生塑性變形以抵抗相對運動，這種塑性變形的產生稱之為“冷焊”現象[3]，隨著“冷焊”現象的加劇，塑性變形的程度在壓應力和剪切應力的作用下逐步擴大，較軟的金屬內部開始出現裂紋并不斷增長，此時受力狀態進一步惡化為拉應力和剪切應力，當裂紋增長至金屬表面時，材料剝落并形成磨損粒子。黏著磨損與材料的強度、硬度、載荷、表面粗糙度、相對速度有關。

二、磨粒磨損

圖2

不同類型的磨粒磨損模型，(a) “切削作用”，鋼棒作用于黃銅表面；(b) “帶有鍥形堆積的犁削作用”，鋼棒作用于不銹鋼表面；(c) “無鍥形堆積的犁削作用”，鋼棒作用于黃銅表面。(摘錄于Hokkirigawa， K.及Kato， K.(1988)， 在磨粒磨損中，對”犁削作用”、“切削作用”及”鍥形堆積“的試驗和理論調查。)

兩個表面在一定載荷作用下相互接觸，硬度較高表面上的微小突起會嵌入硬度較軟的表面中，當兩個表面相互運動時，這些高硬度的微小突起會在相對較軟的表面上留下刻蝕的痕跡，這種現象稱之為“犁削作用”(類似于用犁耕地)。通過這種微小的“犁削作用”，硬度較高的突起將較軟的材料從其表面剝離，在運動方向的最前端形成一個鍥形的堆積，而在運動方向的兩側材料則向外翻出。當這些突起的形狀的角度在特定的范圍時，則會產生類似于機加工中的”切削作用”，對于延展性材料，連續的或者斷續的長條狀的材料直接從表面剝離；對于脆性材料，在內部則會產生逐漸長大的裂紋(Evans and Marshall， 1981)[1]，在裂紋周圍的材料則易于從表面剝落形成碎片。

三、疲勞磨損 (圖3)

圖3

由4150鋼制造的銷釘疲勞斷裂后的磨損情況。(a) 疲勞斷裂表面，顯示了貝殼狀紋路；(b) 接近斷裂處的銷釘表面上的磨損痕跡；(c) 電子顯微鏡下斷裂面邊緣痕跡

對于載荷多次作用于表面而產生材料缺失的現象，定義為疲勞磨損，包括高循環疲勞磨損和低循環疲勞磨損。高循環疲勞磨損通常出現在材料的彈性變形狀態，雖然外加載荷沒有超過材料的屈服極限，但由于材料本身的晶體邊界、微觀粒子夾雜和空穴的存在，使得局部應力超過材料的屈服應力極限。低循環疲勞磨損通常出現在材料的彈塑性或者塑性變形狀態。兩種疲勞磨損均使材料表層以下某些區域產生硬化現象，且隨著載荷的重復加載，材料內部的某些應力集中點周圍發生的塑性應變不斷加劇，裂紋產生并不斷長大至表面時，在拉應力和壓應力的作用下發生磨損。

四、腐蝕磨損

如果在腐蝕性液體或者氣體中表面之間具有相互運動時，腐蝕磨損即會發生。由化學反應或者電化學反應產生的物質會附著在材料表面之上，作為磨損介質。這些介質的成分通常不同于基體材料而使得磨損狀態更加復雜。這些反應會在基體材料表面發生并且在表面上形成反應物質層，物質層會被表面之間的摩擦作用消耗，所以在腐蝕磨損的分析中這種堆積和消耗現象是研究磨損量的重點內容。

試驗目的、方法及制備

一、試驗目的

在本次試驗中，通過觀察閥芯與閥座金屬材料之間的磨損現象定性地分析磨損狀態對密封副密封性能的影響；閥芯表面采用兩種金屬制成，可以對比不同種金屬的磨損程度；使用球閥作為試驗對象，可以觀察金屬材料在球面上相對運動時發生磨損的特征。

二、試驗方法

采用一個完整的球閥配合氣動執行機構作為研究對象，閥芯采用球面的一部分作為工作面，故稱之為球芯，閥座設計為薄壁圓柱形，球芯與閥座的材質均為金屬(零件材料及特性見表1)，為了觀察不同種金屬材料間的磨損狀況，球芯表面采用兩種金屬制造，其中球芯表面與閥座接觸的部分形成帶狀密封圈，此區域的材料與閥座材料相同，為鈷基硬質合金；球芯的其他表面材料選用比帶狀密封圈硬度較小的材料，為奧氏體不銹鋼。在試驗的整個過程中保持球芯與閥座緊密接觸，其壓緊力由支撐閥座的彈簧提供，氣動執行機構連續驅動球芯轉動90度實現開啟和閉合的動作。為了實現金屬的直接接觸以模擬最為惡劣的情況，球芯表面沒有任何鍍層和潤滑；因為介質特性作為磨損失效的一個復雜因素會對結果產生不可預測的影響，所以在本次試驗中沒有人為地引入任何流體介質；試驗溫度為室溫。

表1 零件材料及特性

(球閥實物圖片及密封結構的說明見圖4)

圖4

三、試驗制備

在本次試驗中，球芯采用兩種不同的金屬進行制造，球芯基材為奧氏體不銹鋼鑄件，半成品加工中需要在帶狀密封區域加工凹槽，而后在凹槽處堆焊鈷基硬質合金，再進行球面的精加工。

加工順序如下：

鑄件 → 基準面加工 → 球面粗加工及帶狀密封凹槽加工 → 凹槽處堆焊鈷基硬質合金 → 基準面精整 → 球面精加工 → 球面精磨

泄漏測試采用標準泄漏測試工作臺，測試流程及判定標準符合ANSI/FCI 70-2及IEC 60534-4中對密封等級為四級的規定。

(球芯機加工見圖5)

圖5

四、試驗結果、分析和結論

1.結果：

在閥門連續啟閉250次之后，球面出現輕微擦痕，其方向與球芯轉動方向一致，在密封區域中可以發現有少量的黑色粉末和微小金屬碎片，泄漏測試顯示密封數值遠小于四級標準所規定值。在閥門啟閉500次后，其磨損情況與前250次相近，仍舊出現金屬劃痕的印記、黑色粉末和金屬碎片，雖然啟閉次數增加一倍，磨損狀況并沒有顯著惡化，泄漏測試值仍然遠低于四級標準。

閥門經過1500次連續啟閉后，球芯表面出現了比之前較為嚴重的磨損，磨損的痕跡變得明顯，仍然伴隨黑色粉末和金屬碎片，泄漏測試值仍然遠低于四級標準。

閥門經過3000次連續啟閉后，球芯表面的磨損進一步惡化，磨損痕跡更加明顯，黑色粉末和金屬碎片持續出現，另外，在球芯旋轉經45度至90度時，可以明顯的聽到類似金屬間摩擦的噪音(球芯旋轉經90度至45度時出現相同的噪音)，泄漏測試值仍然遠低于四級標準。

閥門經過4500次連續啟閉后，磨損狀況比較之前沒有明顯變化，噪音持續發生，在這一階段沒有進行泄漏測試。

閥門經過6000次持續啟閉后，球芯表面可見非常嚴重的磨損，尤其在靠近尾軸一側的半球面上，存在刻蝕痕跡，可以明顯地觀察到金屬碎片隨著球芯的轉到不斷掉落，大量的金屬碎片聚集在閥座的底部區域，泄漏測試沒有達到標準。在50 PSI 壓力下閥門啟閉5次后泄漏值為140 SCFH，在50 PSI 壓力下閥門啟閉10次后泄漏值為200 SCFH，閥門繼續進行啟閉動作時，刻痕有從球芯尾軸一側向主軸一側延伸的趨勢。

(球面磨損狀況見圖 6)

圖6

(測試結果見表2)

表2

2.分析：

在閥門泄漏不達標準后停止試驗，將閥門拆解后進行分析。

-球面上奧氏體不銹鋼(316L)材料部分出現了明顯的磨損，其上可見微小的磨損凹槽，磨損區域主要發生在尾軸一側并有向主軸一側延伸的趨勢。

-硬質合金閥座與球面接觸的部分出現劃痕，帶狀密封圈的邊界不再清晰。某些局部磨損情況較為嚴重。

由球面的磨損狀況可以判斷在試驗初期250次動作后出現黏著磨損，由于表面的粗糙度及局部的硬化作用，球面上的突起部分、氧化層和局部材料與基材剝離，形成黑色粉末以及微小的金屬碎片，同時磨損也發生在閥座表面，隨著磨損的加劇，球面及閥座表面變得粗糙，一部分剝落的金屬碎片逐步聚集在這些粗糙表面的凹坑內，大量金屬碎片在重力的作用下聚集在閥座底部，它們作為磨粒使磨損進一步惡化，磨損形式也由黏著磨損逐步轉化為磨粒磨損。疲勞磨損或許也是原因之一。

-填料處同時發現有部分磨損的現象。

-位于主軸和尾軸處的兩個軸承發現有磨損的現象，且主軸側軸承的磨損狀態較尾軸處的軸承更加惡略。

-主、尾兩軸的表面也出現不同程度地磨損。

由軸承和軸的磨損情況可以判斷磨損出現后導致軸、軸承以及填料偏離了原有的位置，失去裝配精度，致使這些零件表面也存在不同程度的磨損，因為球芯的定位與這些零件關聯，所以球芯也不再對中，磨損與定位的不斷相互影響而且加速彼此惡化的速度。

3.結論：通過以上試驗現象及分析，兩種金屬制成的球面在使用時，由于較軟金屬的提前磨損會使球面的狀態加速惡化，比較相同材質的球芯，其使用壽命相對縮短；球面磨損程度與球芯對中精度相關，磨損狀態越惡化，球芯對中精度越低，閥門越容易泄漏；球面出現微量磨損時，仍然能保證泄漏等級四級標準，根據此次試驗的現象，在干摩擦及一定載荷的條件下，從球面出現磨損開始，閥門動作約3000次后存在泄漏風險；潤滑及載荷對磨損有較大影響，在存在潤滑及輕載條件下，閥門泄漏時的工作循環次數會大大增加；因為試驗過程中，聚集在閥座底部的金屬碎片沒有清除，其充當磨粒會加大磨損程度，閥門在實際使用中因為流體介質的沖刷會帶走一部分金屬碎片以防止磨粒的堆積，由此判斷，閥門在實際使用時，其磨損情況會比試驗現象稍好。

[1]KOJI KATO， KOSHI ADACHI， “MODERN TRIBOLOGY HANDBOOK”

[3]K.R.MECKLENBURG， R.J.BENZING， “TESTING FOR ADHESIVE WEAR”

[5]“Fatigue Failure Of A Pin” by IMR test labs