嚴苛工況用耐磨球閥常見故障與改進方案研究

陳長奔，葉凱強，葉顯斌，陳忠信，江凱，許誠豪

（歐維克集團有限公司，浙江 溫州 325100）

0 引言

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

1 嚴苛工況用耐磨球閥使用工況與結構原理

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

耐磨球閥一般分為浮動球式結構和固定球式結構。這兩種結構的耐磨球閥都是以球體作為啟閉件，對應有活塞結構的閥座，球體和閥座的密封副具有硬質合金噴涂層，該密封副經過鏡面式研磨工藝，具備良好的密封效果；都是通過執行機構動作，驅動傳動鏈（閥桿）轉動從而帶動球體，使閥門完成啟閉的工作狀態。無論哪種結構的耐磨球閥長期使用于嚴苛、惡劣工況，都面臨密封面磨損嚴重、密封件使用壽命短、閥座彈簧腔粉塵堆積導致的密封失效、傳動鏈區域粉塵堆積導致的密封副泄漏、閥門轉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 閥門執行機構損壞、變形

該故障多存在于執行機構為手柄的閥門，部分執行機構為蝸輪頭的閥門也存在此類情況。該故障原因為：閥門長期在嚴苛工況中使用，閥門轉矩隨著嚴苛工況的影響越來越大，當閥門的啟閉轉矩施加在手柄上的扭應力大于手柄（手輪）的許用扭應力時，強制的啟閉力對手柄（手輪）造成不可恢復的扭曲變形或斷裂，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域，部分閥門中法蘭靜密封區域也會出現此種故障，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部各零部件發現，閥門的外泄漏原因為：1）法蘭靜密封區域泄漏的閥門的密封件（金屬石墨墊）均出現不同程度的高溫氧化現象，導致密封失效；2）閥桿動密封區域泄漏的閥門，除了密封件（柔性石墨）出現高溫氧化現象外，閥桿與填料密封區域的金屬表面存在晶間腐蝕現象，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重要的作用。

圖1 被氧化的石墨和密封區域被腐蝕的閥桿

2.3 閥門內泄漏

本批次98%的閥門存在閥門內泄漏，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現，閥門內漏原因為：1）閥座和球體被沖蝕破壞。閥門的球體和閥座應用于嚴苛工況系統，長期受系統中高速流動的顆粒介質沖撞或沖刷，造成球體、閥座和密封面破壞，導致泄漏。2）閥門密封副硬質合金噴涂層被嚴重磨損，嚴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合金涂層被磨除或脫落，導致密封失效（如圖2）。3）閥座密封圈材質（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域受工況影響而產生不同程度的晶間腐蝕現象（金屬表面坑坑洼洼），這兩個零件的損壞或失效造成閥門內泄漏（如圖1）。因此合理選擇密封件和密封副硬質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，表現為閥桿扭曲變形或斷裂（如圖3）。原因是閥門處于以下嚴苛工況：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）處于粉塵介質工況時，介質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、密封副和閥門內腔等區域堆積，造成閥桿和密封面磨損破壞，使閥門的轉矩越來越大，直至卡死；3）處于強腐蝕性介質工況時，閥門的密封副和閥桿被介質長期腐蝕，造成球體與閥座表面的硬質合金噴涂層脫落，閥桿與填料及軸承配合的表面不再光滑，使閥門的轉矩增大，直至卡死。當轉矩對閥桿造成的扭應力超過閥桿材料能夠承受的最大扭應力時，閥桿將會產生不可逆轉的扭曲形變甚至斷裂。因此在閥桿設計計算時須保留足夠的安全系數，來抵消閥門長時間處于惡劣工況時閥門轉矩異常升高。

圖3 閥桿扭曲變形和斷裂

2.5 其它故障

除了常見的執行機構變形或損壞、閥門外泄漏和閥門內泄漏等故障外，還發現以下幾處較為嚴重的故障及安全隱患：1）嚴苛工況耐磨球閥多應用于易燃易爆、高溫、顆粒介質等工藝系統，可見工藝系統對閥門的密封性能要求非常高，因此球體須為帶圓柱形內孔的實心球[2]，空心球體是禁止使用的，嚴重變形的空心球不僅影響閥門的密封性能，更對安全生產和人身安全造成巨大威脅；2）閥門各零件的材料應根據實際工況去選用，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的抗腐蝕性能不理想，應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，影響閥門整機的使用壽命（如圖4）。

圖4 嚴重變形的空心球和被介質腐蝕的閥桿

3 嚴苛工況用耐磨球閥改進方案

閥門的選用及設計不僅需要考慮閥門的結構及閥門整機性能是否能夠滿足工況的要求，更應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的使用壽命和維護周期。通過對本批次維修閥門故障現象進行統計及分析，對嚴苛工況用耐磨球閥設計提出以下幾點改進方案：

1）嚴苛工況用耐磨球閥的結構和零部件材料的選擇應充分考慮工藝系統的設計參數，如：工況操作溫度，介質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構及各零部件材料的選擇和相應的生產制造工藝。以煤化工用耐磨球為例，該工況下要求閥門應具有耐沖蝕、耐磨、防結疤和快速切斷等功能[3]，閥門密封副硬質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是利用經過特殊結構設計的噴嘴，由高速燃氣流加熱并加速硬質合金粉末噴涂至基體表面，硬質合金粉末覆蓋并緊貼在基體表面的凹凸點上，形成一層結合強度高，致密性好的涂層[4]。該工藝成型的硬質合金涂層和基體材料為機械式結合而非金屬熔融，若孔隙率和結合強度無法達到規定要求，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，通常采用石墨環和金屬+石墨纏繞墊等作為閥門的密封件，閥門密封結構和密封件材料的選用決定了閥門的密封效果，常規石墨材料使用溫度低于400 ℃，隨著工況溫度升高，石墨材料將會發生氧化反應并造成閥門密封失效，因此當溫度高于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合金涂層也有很大的影響，不同材料的硬質合金都有不同的最高使用溫度，溫度過高更會對硬質合金涂層的孔隙率和結合強度產生重大影響，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工況的閥門，須考慮顆粒或粉塵在閥門內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入密封副，尤其是顆粒介質的硬度高于密封副硬質合金噴涂層的硬度時，高硬度的顆粒介質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，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，造成閥門內泄漏；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，還會使閥門的轉矩越來越大，直至無法正常啟閉。針對顆粒或粉塵介質工況，一是建議閥座采用刮刀結構設計，該結構的閥座設計有鋒利的刮刀對球體進行自刮擦和清潔，防止黏附在球體表面的粉塵顆粒進入球體和閥座密封副內而劃傷密封面，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構設計（如圖5），防止粉塵顆粒進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，延長了閥門的維護周期和使用壽命[6]。

圖5 刮刀設計的閥座和防塵結構

4）對于零件受介質沖蝕比較嚴重的工況，主要考慮減少多相流介質對密封副區域的沖撞或沖刷，建議在閥門進口端采用錐形縮口設計（喇叭口結構）[7]，可以將介質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）受介質沖蝕的傷害（如圖6），延長了閥門的維護周期和使用壽命。

圖6 錐形縮口設計的流體模擬分析

4 結語

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