目前超高压技术已被广泛应用于超硬材料制造、化学工业、石油化工、加工技术、等静压处理、超高静压挤压、粉末冶金、金属成形以及地球物理、地质力学研究等领域〔1〕。由于高压技术的广泛使用, 超高压系统中的超高压阀门性能直接影响整个系统工作的可靠性、安全性、工作效率和使用寿命。在那些须频繁增压卸压的系统中显得尤为重要。分析其失效形式并找到合理的解决办法，有利于提高产品的质量和寿命。
2 结构
超高压针阀一般采用角形单座结构, 加工简单, 阀座容易配换, 阀芯为单导向结构(图1) 。阀门角形单座结构流路简单, 阻力小, 适用于高压差、高粘度、含悬浮物和颗粒状物质流体, 可以避免结焦和堵塞, 也便于自净和清洗〔2〕。阀芯和阀座是超高压针阀进行开关控制的两个核心零件, 组成超高压针阀开关的动密封副。通过控制阀芯与阀座之间锥形密封面的接触与分离, 实现阀通道的关闭和开启。阀芯与密封圈之间的圆周密封面构成阀的滑动密封副, 用于保障阀室与外界的密封。阀芯采用针形, 靠锥面密封, 一般阀芯锥角为59°, 阀座锥角为60°。实验证明在开锥孔时, 锥角选取45°～60°时, 孔边缘的大应力集中系数小, 且使大应力出现在锥孔的小端。阀座锥角大, 阀芯锥角小时, 靠上表面密封, 有利于提高阀的使用寿命.
3 针阀失效形式
在阀的阀芯材料为GCr 15, 其硬度为50 HRC。通过目测, 在未使用前, 密封面光滑,其粗糙度为Ra 018μm , 阀芯端部较尖锐。使用后其失效形式有阀芯弯曲变形或冲断, 阀芯碎裂、出现凹坑或沟痕等(图2) , 导致阀门泄漏。
针阀失效形式
4 分析
411 阀芯弯曲变形和碎裂
针阀阀芯弯曲变形和密封面碎裂主要是加工时阀芯与阀座存在同轴度误差或锥面误差造成的。尽管由于密封预紧力的作用, 阀芯弹性变形使得两密封面实现密封, 但当针阀开启时, 受其同轴度误差影响, 超高压液流喷出时, 阀芯径向受力不同, 使得阀芯产生弯曲变形, 甚至冲断。阀芯碎裂的原因一是材料热处理不当, 使材料脆性增大。另外是由于所用针阀开关为手动, 在密封时受力过大, 与阀座挤压造成碎裂。
412 密封面磨损
密封面磨损与气蚀、冲蚀和高温腐蚀有关。
(1) 气蚀与气蚀磨损
针阀通常在高压差下工作, 阀芯与阀座接触环附近的流速极高, 而且水的汽化压力又高, 所以在超高压阀中很容易产生空化与闪蒸。当打开阀门时, 高压液体突然释放, 流速急剧增加, 而静压力骤然下降。当节流口后压力达到或低于水所在情况下的饱和蒸汽压时, 部分液体就汽化成为气体, 形成气液两相共存的现象, 这是空化作用的首阶段, 即闪蒸阶段。第二阶段是这些气泡的破裂, 即空化阶段。在这一阶段阀后压力升高到饱和蒸汽压以上, 气泡突然破裂, 所有的能量都集中在破裂点上产生极大的冲击力, 这种冲击压力高时甚至可以超过1GPa〔2 、4〕。因此冲撞阀芯、阀座和阀体,这种破坏作用称为气蚀。另外液体内含有一定数量的气泡, 这些气泡也会造成气蚀。液体中气蚀在锥形阀芯和阀座上产生两种形式的侵蚀, 一种是大尺寸的凹坑, 是由单个气泡的破裂造成的; 另一种是一些较小的凹坑, 是由一些强度较弱的冲击累积作用而成的〔4〕。因此, 失效后的阀芯表面有大小不等的凹坑。气蚀的破坏速度与材料的力学性能有关。对大多数材料来说, 抗气蚀能力随材料硬度的提高而提高, 两者之间大致成指数关系〔4〕。气蚀破坏与材料的疲劳强度也有关, 这是因为不断生成的气泡不断崩溃, 对零件的表面产生重复性的冲击。另外,水中氧气的含量, 阀芯的形状, 阀口开度, 出口背压等对气蚀都有影响〔4〕。
(2) 冲蚀磨损
由于在高压差和高流速下, 液体的雷诺数很高, 极易形成湍流运动〔5〕。流体中每一流体微团都具有极高的速度, 会对阀芯与阀座产生巨大的冲击作用, 使其表面形成一道道沟痕。另外, 液体中还可能存在一些固体微小颗粒, 这些颗粒由高速液流携带着冲向零件表面, 也会在零件表面刮出痕迹。高速水流造成的侵蚀和微小颗粒造成的侵蚀形状上基本相同, 都是一条条拉长的沟槽, 其方向与流动方向一致, 而气蚀产生的侵蚀则是大大小小的坑。冲蚀严重的地方是在阀芯的中心, 因为此处流速高, 而气蚀侵蚀严重的地方则在流速高部位的下游。另外, 阀门开度越大, 气蚀侵蚀越严重。而开度越小, 冲蚀越严重〔4〕。一般来说, 材料的硬度越高, 抗冲蚀的能力就越强。
(3) 高温腐蚀
当高速水流冲击阀芯表面时, 表面温度升高,使其硬度降低, 抗磨损能力随之降低, 导致气蚀与冲蚀更为严重。要提高阀的抗气蚀、冲蚀磨损及高温腐蚀的能力, 对阀座与阀芯可进行表面硬化处理或采用工具钢及硬质合金等材料, 在结构上可采用分级降压、设计合理的缓冲室结构和避免空化的结构。
5 改良办法
A、热处理与表面硬化处理
对于超高压阀门使用的材料, 通常采用热处理和表面硬化处理方法提高其抗挤压和耐冲蚀性能。
真空热处理
真空热处理是指将工件置于真空中进行的热处理工艺。真空热处理在加热中不产生氧化、脱碳及其他腐蚀, 而且具有净化表面脱油除脂的作用。在真空中能将材料在冶炼过程中吸收的氢、氮和氧等气体脱出, 提高材料的质量和性能〔3〕。如将W18Cr4V 制作的超高压针阀进行真空热处理后,有效地增加了针阀的冲击韧性, 同时提高了力学性能和使用寿命〔4〕。
表面强化处理
为了提高零件的性能, 除了改变材质以外, 更多的是采用表面强化处理方法。如表面淬火(火焰加热、高中频加热表面淬火、接触电加热表面淬火、电解液加热表面淬火、激光电子束加热表面淬火等) 、渗碳、氮化、氰化、渗硼、渗金属( TD法) 、激光强化、化学气相沉积(CVD 法) 、物理气相沉积( PVD 法) 、等离子体化学气相沉积(PCVD) 和等离子喷涂等。
(1) 物理气相沉积( PVD 法) 在真空中应用蒸镀、离子镀、溅射等物理方法产生金属离子,这些金属离子在工件表面沉积, 形成金属涂层, 或与反应器反应形成化合物涂层, 这种处理工艺方法称为物理气相沉积, 简称PVD 法。此方法沉积温度低, 处理温度400～600 ℃, 变形小, 对零件的基体组织及性能影响小。利用PVD 法在W18Cr4V制造的针阀上沉积TiN层, 则TiN层极高的硬度(2 500～3 000HV) 和高耐磨性, 提高了阀门抗腐蚀性, 在稀的盐酸、硫酸、硝酸中不受浸蚀, 能保持光亮表面。PVD 处理后覆盖层精度很好。可研磨抛光, 其表面粗糙度为Ra018μm , 抛光后可达到0101μm〔6〕。
(2) 渗金属法 将工件置于添加有扩散元素或其合金的硼砂沐浴中, 在工件表面形成V、Nb、Cr 、Ti 等高硬度碳化物层, 这种处理工艺方法称为渗金属( TD) 法。该工艺稳定性好, 无公害,零件表面清洁, 是一项行之有效的表面超强度硬化技术, 从而极大地提高零件的使用寿命。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, 其耐蚀性和抗氧化性强〔7〕。
