Как можно продлить срок службы клапанов высокого давления?

Основными причинами выхода из строя арматуры сверхвысокого давления являются кавитация и эрозионный износ; при этом существует множество факторов, влияющих на процессы кавитации и эрозии, главнейшими из которых являются механические свойства материалов, гидродинамика рабочей среды и воздействие эксплуатационной среды. Существует целый ряд методов повышения устойчивости клапанов к кавитации и эрозионному износу.
I. Выбор материалов
Для повышения стойкости арматуры сверхвысокого давления к эрозии обычно применяют коррозионностойкие материалы, отвечающие следующим требованиям:
1.Материалы повышенной твердости
2.Материалы, формирующие защитную пленку, устойчивую к кислотной коррозии
3.Материалы с высоким пределом текучести и стабильными эксплуатационными характеристиками
4.Материалы с высокой усталостной прочностью
Для улучшения комплекса свойств конструкционных материалов применяют два способа: легирование и рациональную термическую обработку. Легирование заключается в изменении химического состава стали с целью получения новых материалов с заданными эксплуатационными свойствами. Термическая обработка, напротив, не изменяет химический состав стали; она предполагает проведение операций нагрева, выдержки и охлаждения твердого металла для трансформации его микроструктуры и улучшения механических характеристик.
II. Термическая обработка и поверхностное упрочнение
1. Вакуумная термическая обработка
Данный технологический процесс предотвращает окисление, обезуглероживание и другие виды коррозии при нагреве, а также очищает поверхность изделий от масел и жировых загрязнений. В вакууме из металла удаляются газы (водород, азот, кислород), поглощенные материалом при плавке, что положительно сказывается на качестве и эксплуатационных характеристиках заготовок.
В качестве примера: вакуумная термообработка игольчатого клапана сверхвысокого давления из стали W18Cr4V значительно повышает ударную вязкость изделия, улучшает его механические показатели и увеличивает ресурс эксплуатации.
2. Методы поверхностного упрочнения
К ним относятся: поверхностная закалка (пламенная, средне- и высокочастотная индукционная, закалка контактным электронагревом, электролитическая, лазерная, электронно-лучевая и др.), цементация, азотирование, цианирование, борирование, диффузионное насыщение металлами (метод TD), лазерное упрочнение, химическое осаждение из газовой фазы CVD, физическое осаждение из паровой фазы PVD, плазмохимическое осаждение PCVD, плазменное напыление и другие технологии.
III. Применение новых конструкционных материалов
При подборе материалов для проточных деталей арматуры сверхвысокого давления необходимо учитывать зависимость скорости потока рабочей среды (максимального рабочего давления) от величины эрозионного износа (потери массы).
При повышенных давлениях (свыше 400 МПа) требуются материалы с высокой твердостью и красностойкостью: инструментальные стали или твердые сплавы.
При умеренных давлениях (100–400 МПа) материал должен сочетать высокую твердость с хорошей пластичностью и вязкостью. Например, игольчатые клапаны сверхвысокого давления компании HIP производятся из аустенитной нержавеющей стали 316 для рабочего давления 690 МПа и из мартенситной дисперсионно-твердеющей стали 17-4PH для давления 1034 МПа.
В международной практике детали, подверженные кавитационному воздействию (диски и седла клапанов), преимущественно изготавливают из мартенситных нержавеющих и инструментальных сталей, корпуса седел клапанов – из хромоалюминиевых сталей или коррозионностойких нержавеющих сталей.
С развитием промышленной керамической технологии получили распространение и керамические клапаны. Керамические материалы демонстрируют высокую эрозионную стойкость при малых углах удара потока. Однако при уменьшении конусности иглы клапана снижается прочность ее торцевой части, уменьшается сила противодействия между иглой и седлом, что негативно влияет на герметичность затвора. По этой причине при выборе керамики для изготовления клапанных игл необходимо учитывать не только угол конуса, но и прочностные характеристики самого материала.