如何選擇正確的控制閥材料

用戶在選擇閥門(mén)部件材料時(shí)，往往會(huì)面臨令人眼花繚亂的選項(xiàng)。本文將為您揭開(kāi)設(shè)計(jì)過(guò)程的神秘面紗。

閥門(mén)材料的選擇好比與神話中的九頭蛇作戰(zhàn)。當(dāng)你集中精力對(duì)付一個(gè)頭，以為已經(jīng)戰(zhàn)勝了它，卻突然發(fā)現(xiàn)另外兩個(gè)頭向你發(fā)起攻擊。這個(gè)問(wèn)題是多方面的，因?yàn)橥ǔＳ卸鄠€(gè)不同的物理和化學(xué)過(guò)程同時(shí)在起作用。此外，每個(gè)閥門(mén)部件可能都有不同的關(guān)鍵性能要求。

不過(guò)，需要注意的是，導(dǎo)致閥門(mén)部件損壞的機(jī)制是復(fù)雜且相互關(guān)聯(lián)的。盡管本討論提供了一般性指導(dǎo)，并努力提高對(duì)材料選擇所涉及的各種因素的認(rèn)識(shí)，但每種工藝和產(chǎn)品仍需進(jìn)行徹底審查和詳細(xì)了解，以選擇最佳材料。

了解挑戰(zhàn)

第一步是材料選擇過(guò)程，這也是最困難的部分 。造成控制閥組件損壞的原因有很多，包括侵蝕、粘合劑磨損、閃蒸、氣蝕、腐蝕、極端溫度等。這些挑戰(zhàn)中的幾個(gè)往往同時(shí)發(fā)生，因此識(shí)別和了解每個(gè)問(wèn)題非常重要。

圖 1：當(dāng)帶有研磨顆粒的流體介質(zhì)撞擊到部件上時(shí)，就會(huì)發(fā)生侵蝕，例如在該閥體上，流體介質(zhì)流出時(shí)，侵蝕和腐蝕的共同作用會(huì)磨損材料。

侵蝕 （圖 1）是由于加工流體中的微粒造成的零件材料物理剝離。這種現(xiàn)象常見(jiàn)于帶有研磨顆粒的泥漿或液體中，通常通過(guò)使用硬質(zhì)材料或高強(qiáng)度涂層來(lái)解決。

盡管名稱有誤導(dǎo)性，但粘合磨損與侵蝕性膠水無(wú)關(guān)，而是金屬相互摩擦造成的。對(duì)于必須長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)運(yùn)行的高循環(huán)閥門(mén)來(lái)說(shuō)，這種情況尤其麻煩。

解決這一問(wèn)題的關(guān)鍵在于選擇正確的材料組合，使它們不會(huì)相互損壞。不同的材料有不同的咬合傾向（粘著磨損的另一個(gè)名稱），但有一些通用的指導(dǎo)原則。兩種軟質(zhì)材料接觸時(shí)容易發(fā)生咬合，但硬質(zhì)材料與相對(duì)較軟的材料配對(duì)使用的時(shí)間會(huì)更長(zhǎng)。

當(dāng)液體通過(guò)閥門(mén)時(shí)，下游壓力低于液體的蒸汽壓力，就會(huì)發(fā)生閃蒸損壞（圖 2左）。液體在通過(guò)閥門(mén)喉部時(shí)會(huì)沸騰，在此過(guò)程中會(huì)磨損金屬。

氣蝕 （圖 2右）與閃蒸類似，但通常破壞性更大。在這種情況下，液體在通過(guò)閥門(mén)時(shí)會(huì)下降到蒸汽壓以下，但隨后壓力會(huì)上升，使氣泡塌陷。由此產(chǎn)生的微射流和沖擊波撞擊閥壁、閥內(nèi)件和下游管道，造成損壞。

圖2

閃蒸 ，尤其是氣蝕，確實(shí)是令人擔(dān)憂的問(wèn)題。對(duì)付這些現(xiàn)象的工具是結(jié)合使用非常堅(jiān)硬的材料，以最大限度地降低損壞率和/或采用閥門(mén)內(nèi)件設(shè)計(jì)，以消除氣蝕或?qū)⑵茐男阅芰考械竭h(yuǎn)離敏感閥門(mén)部件的地方。在嚴(yán)重和不可避免的氣蝕情況下，我們無(wú)法取勝，只能減緩其影響并爭(zhēng)取時(shí)間。最終，閥門(mén)會(huì)損壞并需要維修。

腐蝕 是另一個(gè)兇惡的對(duì)手，它有多種形式，是由化學(xué)物質(zhì)引起的（圖 3）。一般腐蝕是最常見(jiàn)、最容易理解的腐蝕形式之一。當(dāng)環(huán)境均勻地侵蝕金屬時(shí)，就會(huì)發(fā)生這種腐蝕，例如在室外未加保護(hù)的鋼或鐵生銹。與一般腐蝕不同的是，點(diǎn)狀腐蝕是一種局部腐蝕，會(huì)在金屬上留下深坑，而這些深坑在其他情況下可能并不存在。

圖3

腐蝕類型不勝枚舉，包括應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂（SCC）、縫隙腐蝕、晶間腐蝕、電化學(xué)腐蝕等。與腐蝕作斗爭(zhēng)最難的部分在于了解腐蝕發(fā)生的化學(xué)過(guò)程，因?yàn)樵谠S多情況下，會(huì)同時(shí)發(fā)生幾種類型的腐蝕。

確定目標(biāo)

在確定了對(duì)手之后，確定材料選擇就是主要目標(biāo)。一些典型的材料特性包括強(qiáng)度、耐磨性、熱膨脹性、耐腐蝕性和抗蠕變性。關(guān)鍵的材料特性差別很大，取決于所考慮的閥門(mén)部件（圖 4）。

圖 4：該圖說(shuō)明了每個(gè)閥門(mén)部件對(duì)關(guān)鍵材料性能的要求有很大不同。請(qǐng)注意，該圖只是概括性的，可能會(huì)根據(jù)閥門(mén)設(shè)計(jì)和工藝條件而有所不同。

強(qiáng)度（或硬度）是衡量材料抗切割、劃傷或彎曲能力的指標(biāo)。耐磨性表明材料吸收能量和避免斷裂或損壞的能力。熱膨脹和耐腐蝕性能不言自明，但 “蠕變 ”的概念卻不那么常見(jiàn)。抗蠕變性是指固體材料在暴露于高溫時(shí)，避免在長(zhǎng)期應(yīng)力作用下發(fā)生緩慢變形的能力。針對(duì)特定應(yīng)用的最佳材料取決于該部件在閥門(mén)中的使用方式，這就是為什么不同的閥門(mén)部件有不同的抗蠕變性。

了解材料

既然已經(jīng)確定了問(wèn)題所在并知道了自己的目標(biāo)，那么現(xiàn)在就該考慮一下有哪些方法了。

材料的種類繁多，專有名稱和通用名稱的廣度往往導(dǎo)致混淆。例如，“哈氏合金 ”是一個(gè)常見(jiàn)的商品名稱，但哈氏合金金屬卻有20多種不同的名稱。至少有六種不同的合金被稱為鉻鎳鐵合金。在提及合金時(shí)，最好盡可能使用UNS編號(hào)或ASTM標(biāo)準(zhǔn)等通用名稱，以避免混淆。

了解特定金屬如何防腐蝕也很重要。有些材料通過(guò)形成保護(hù)氧化層來(lái)抵御持續(xù)侵蝕，從而實(shí)現(xiàn)被動(dòng)防腐。例如不銹鋼 (SST)、C-276 哈氏合金C和鈦。

這些材料往往在氧化環(huán)境中效果良好，但在還原環(huán)境中效果不佳，因?yàn)檫€原環(huán)境會(huì)侵蝕氧化層。其他材料的惰性較強(qiáng)，在許多環(huán)境中不易發(fā)生反應(yīng)，或不太依賴氧化層的保護(hù)。這些材料包括蒙乃爾合金和哈氏合金 B-3。

圖 5：本表只是眾多可用材料以及每種材料所提供的各種抗腐蝕、抗磨損和抗侵蝕性的一個(gè)小樣本。

圖 5 表格列出了各種材料及其不同的優(yōu)缺點(diǎn)。需要注意的是，這只是一個(gè)縮略列表，僅用于說(shuō)明各類材料的不同性能。此表不應(yīng)作為選擇材料的指南。

顯然，可供選擇的材料非常多，而且不同合金之間的價(jià)格差異可能很大。在面臨艱難的材料選擇決策時(shí)，最好與閥門(mén)供應(yīng)商討論各種選擇。通常情況下，幾種合金都可以使用，而針對(duì)特定應(yīng)用的最佳選擇可能是閥門(mén)設(shè)計(jì)和閥門(mén)部件材料選擇的結(jié)合。

結(jié)論

當(dāng)遇到困難的閥門(mén)應(yīng)用時(shí)，重要的是要仔細(xì)、全面地評(píng)估情況，以了解究竟是什么問(wèn)題在起作用。通常情況下，存在物理過(guò)程（沖蝕、氣蝕等）以及一種或多種腐蝕過(guò)程的組合，需要全面了解整個(gè)情況才能徹底解決問(wèn)題。一旦掌握了這些信息，用戶就可以與控制閥供應(yīng)商合作，選擇閥門(mén)設(shè)計(jì)和組件結(jié)構(gòu)材料的最佳組合，以提供長(zhǎng)期可靠的服務(wù)。

如果事先掌握了工藝知識(shí)，并有強(qiáng)大的技術(shù)支持，那么與材料的選擇就沒(méi)那么艱難了。利用這些技能，設(shè)計(jì)人員可以解決工廠中令人頭疼的控制閥問(wèn)題，并迅速成為工藝好手。

本文由Brett Hofman撰寫(xiě)，由小貍翻譯整理。