如何選擇正確的控制閥材料?(圖文)

如何選擇正確的控制閥材料

用戶在選擇閥門部件材料時，往往會面臨令人眼花繚亂的選項。本文將為您揭開設計過程的神秘面紗。

閥門材料的選擇好比與神話中的九頭蛇作戰。當你集中精力對付一個頭，以為已經戰勝了它，卻突然發現另外兩個頭向你發起攻擊。這個問題是多方面的，因為通常有多個不同的物理和化學過程同時在起作用。此外，每個閥門部件可能都有不同的關鍵性能要求。

不過，需要注意的是，導致閥門部件損壞的機制是復雜且相互關聯的。盡管本討論提供了一般性指導，并努力提高對材料選擇所涉及的各種因素的認識，但每種工藝和產品仍需進行徹底審查和詳細了解，以選擇最佳材料。

了解挑戰

第一步是材料選擇過程，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。這些挑戰中的幾個往往同時發生，因此識別和了解每個問題非常重要。

圖 1：當帶有研磨顆粒的流體介質撞擊到部件上時，就會發生侵蝕，例如在該閥體上，流體介質流出時，侵蝕和腐蝕的共同作用會磨損材料。

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。這種現象常見于帶有研磨顆粒的泥漿或液體中，通常通過使用硬質材料或高強度涂層來解決。

盡管名稱有誤導性，但粘合磨損與侵蝕性膠水無關，而是金屬相互摩擦造成的。對于必須長時間連續運行的高循環閥門來說，這種情況尤其麻煩。

解決這一問題的關鍵在于選擇正確的材料組合，使它們不會相互損壞。不同的材料有不同的咬合傾向（粘著磨損的另一個名稱），但有一些通用的指導原則。兩種軟質材料接觸時容易發生咬合，但硬質材料與相對較軟的材料配對使用的時間會更長。

當液體通過閥門時，下游壓力低于液體的蒸汽壓力，就會發生閃蒸損壞（圖 2左）。液體在通過閥門喉部時會沸騰，在此過程中會磨損金屬。

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

圖2

閃蒸 ，尤其是氣蝕，確實是令人擔憂的問題。對付這些現象的工具是結合使用非常堅硬的材料，以最大限度地降低損壞率和/或采用閥門內件設計，以消除氣蝕或將破壞性能量集中到遠離敏感閥門部件的地方。在嚴重和不可避免的氣蝕情況下，我們無法取勝，只能減緩其影響并爭取時間。最終，閥門會損壞并需要維修。

腐蝕 是另一個兇惡的對手，它有多種形式，是由化學物質引起的（圖 3）。一般腐蝕是最常見、最容易理解的腐蝕形式之一。當環境均勻地侵蝕金屬時，就會發生這種腐蝕，例如在室外未加保護的鋼或鐵生銹。與一般腐蝕不同的是，點狀腐蝕是一種局部腐蝕，會在金屬上留下深坑，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，包括應力腐蝕開裂（SCC）、縫隙腐蝕、晶間腐蝕、電化學腐蝕等。與腐蝕作斗爭最難的部分在于了解腐蝕發生的化學過程，因為在許多情況下，會同時發生幾種類型的腐蝕。

確定目標

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

圖 4：該圖說明了每個閥門部件對關鍵材料性能的要求有很大不同。請注意，該圖只是概括性的，可能會根據閥門設計和工藝條件而有所不同。

強度（或硬度）是衡量材料抗切割、劃傷或彎曲能力的指標。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?？谷渥冃允侵腹腆w材料在暴露于高溫時，避免在長期應力作用下發生緩慢變形的能力。針對特定應用的最佳材料取決于該部件在閥門中的使用方式，這就是為什么不同的閥門部件有不同的抗蠕變性。

了解材料

既然已經確定了問題所在并知道了自己的目標，那么現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致混淆。例如，“哈氏合金 ”是一個常見的商品名稱，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，最好盡可能使用UNS編號或ASTM標準等通用名稱，以避免混淆。

了解特定金屬如何防腐蝕也很重要。有些材料通過形成保護氧化層來抵御持續侵蝕，從而實現被動防腐。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境中效果良好，但在還原環境中效果不佳，因為還原環境會侵蝕氧化層。其他材料的惰性較強，在許多環境中不易發生反應，或不太依賴氧化層的保護。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小樣本。

圖 5 表格列出了各種材料及其不同的優缺點。需要注意的是，這只是一個縮略列表，僅用于說明各類材料的不同性能。此表不應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格差異可能很大。在面臨艱難的材料選擇決策時，最好與閥門供應商討論各種選擇。通常情況下，幾種合金都可以使用，而針對特定應用的最佳選擇可能是閥門設計和閥門部件材料選擇的結合。

結論

當遇到困難的閥門應用時，重要的是要仔細、全面地評估情況，以了解究竟是什么問題在起作用。通常情況下，存在物理過程（沖蝕、氣蝕等）以及一種或多種腐蝕過程的組合，需要全面了解整個情況才能徹底解決問題。一旦掌握了這些信息，用戶就可以與控制閥供應商合作，選擇閥門設計和組件結構材料的最佳組合，以提供長期可靠的服務。

如果事先掌握了工藝知識，并有強大的技術支持，那么與材料的選擇就沒那么艱難了。利用這些技能，設計人員可以解決工廠中令人頭疼的控制閥問題，并迅速成為工藝好手。

本文由Brett Hofman撰寫，由小貍翻譯整理。