球阀密封副表面磨损与泄漏关系的试验分析

庞志铭

艾默生过程管理(天津)阀门有限公司

球阀密封副表面磨损与泄漏关系的试验分析

庞志铭

艾默生过程管理(天津)阀门有限公司

磨损是存在于自然界的一种普遍现象。其特征可以简单地认为是“物质的移除”。在工程科学领域，磨损则作为一种常见的、重要的失效方式被广泛研究，目的在于通过对磨损机理的认知，发展相关的理论和方法，以此为依据合理地开发和设计产品，最大程度地降低磨损现象带来的不利影响，提高产品质量延长产品寿命。在流体控制工程领域，阀门是整个系统的执行元件，作为一种用于密闭或者控制流体介质的机械产品，磨损现象不可避免，尤其对密封结构处的金属或非金属材料磨损的分析、评估和设计凸显重要，本文使用一种特定的密封结构设计来观察和分析材料磨损对密封性能的影响程度。

表面磨损；泄漏关系；试验分析

在摩擦学研究中，磨损同摩擦和润滑并列成为三大组成部分，以Archard，J.F为代表的经典理论初步形成于二十世纪中叶，定义了磨损体积量与载荷、相对运动距离以及材料硬度的关系。在工程应用领域，人们试图通过试验的方式确定磨损机理并将磨损抗力作为材料的属性之一在设计中加以应用，但大量试验表明，众多与材料本身和外在条件相关的因素对磨损程度的不确定具有非常大的影响。当接触条件产生的微小变化被引入到摩擦系统中时，磨损程度将产生巨大的变化[1]，因此磨损抗力的概念并未如同抗拉强度、延伸率和硬度等指标一样作为材料的属性加以标准化。应用试验对比的方法对于某些一般性的复杂的工程状况也并不可靠，但如果采用针对性的试验方法对于特定的工程状况进行分析是具有意义的。

在流体控制工业中，阀门的应用不胜枚举，其中对于密封性能和使用寿命普遍具有较高的要求，而磨损现象对于两者的影响起到重要的作用。因为阀门在工作过程中密封副(形成密封结构的一个或者多个零件，比如溢流阀的阀芯和阀座)周围的载荷、接触面积、相对运动速度、温度及热传导等因素的不断变化，使得利用经典理论的方法难以对实际的工程应用进行准确的分析，所以采用试验模拟的方法在一定程度上可以提供直观的工程依据，数据采集后再结合经典理论进行分析、归纳、总结出相应的方法(包括数学公式和图表)，作为此类阀门设计中对磨损失效预测的工具。在本篇论述中，仅包括试验模拟部分，即对阀门密封副的磨损现象进行定性分析，相关定量分析将在其他论述中进行说明。

在本次试验模拟中采用的阀门类型为球阀，阀芯与阀座的材料均为金属，阀门启闭的过程中阀芯与阀座始终接触，阀门的启闭由气动执行机构驱动，在模拟过程中，使得阀门不间断的进行动作实现连续的开启和闭合，以观察球面材料的磨损情况。在若干次连续开启闭合之后，对阀门进行泄漏测试以确定其值是否符合标准值。通过对照密封副的磨损状态和泄漏值可以定性地分析磨损失效形式对阀门泄漏的影响程度。

磨损类型

磨损是一种在载荷作用下，当一种固体相对另一种固体、液体或者气体产生接触并且相对运动时，物质从固体表面上逐步损失的现象[2]。

根据磨损机理的不同，磨损可以分为以下四种类型(Burwell 1957/58)

1.黏着磨损

2.磨粒磨损

3.疲劳磨损

4.腐蚀磨损

从宏观的角度也可将磨损类型分为机械磨损、化学磨损和热磨损，几乎所有的磨损模型中均包括这三种磨损类型。

一、黏着磨损

图1

渗碳表面产生的黏着磨损，并伴有磨粒磨损。

黏着磨损发生在两个紧密接触并出现塑性变形的两个表面上，当载荷足够大时，材料表面的氧化膜遭到破坏导致两个面上的金属直接接触，随后金属产生塑性变形以抵抗相对运动，这种塑性变形的产生称之为“冷焊”现象[3]，随着“冷焊”现象的加剧，塑性变形的程度在压应力和剪切应力的作用下逐步扩大，较软的金属内部开始出现裂纹并不断增长，此时受力状态进一步恶化为拉应力和剪切应力，当裂纹增长至金属表面时，材料剥落并形成磨损粒子。黏着磨损与材料的强度、硬度、载荷、表面粗糙度、相对速度有关。

二、磨粒磨损

图2

不同类型的磨粒磨损模型，(a) “切削作用”，钢棒作用于黄铜表面；(b) “带有锲形堆积的犁削作用”，钢棒作用于不锈钢表面；(c) “无锲形堆积的犁削作用”，钢棒作用于黄铜表面。(摘录于Hokkirigawa， K.及Kato， K.(1988)， 在磨粒磨损中，对”犁削作用”、“切削作用”及”锲形堆积“的试验和理论调查。)

两个表面在一定载荷作用下相互接触，硬度较高表面上的微小突起会嵌入硬度较软的表面中，当两个表面相互运动时，这些高硬度的微小突起会在相对较软的表面上留下刻蚀的痕迹，这种现象称之为“犁削作用”(类似于用犁耕地)。通过这种微小的“犁削作用”，硬度较高的突起将较软的材料从其表面剥离，在运动方向的最前端形成一个锲形的堆积，而在运动方向的两侧材料则向外翻出。当这些突起的形状的角度在特定的范围时，则会产生类似于机加工中的”切削作用”，对于延展性材料，连续的或者断续的长条状的材料直接从表面剥离；对于脆性材料，在内部则会产生逐渐长大的裂纹(Evans and Marshall， 1981)[1]，在裂纹周围的材料则易于从表面剥落形成碎片。

三、疲劳磨损 (图3)

图3

由4150钢制造的销钉疲劳断裂后的磨损情况。(a) 疲劳断裂表面，显示了贝壳状纹路；(b) 接近断裂处的销钉表面上的磨损痕迹；(c) 电子显微镜下断裂面边缘痕迹

对于载荷多次作用于表面而产生材料缺失的现象，定义为疲劳磨损，包括高循环疲劳磨损和低循环疲劳磨损。高循环疲劳磨损通常出现在材料的弹性变形状态，虽然外加载荷没有超过材料的屈服极限，但由于材料本身的晶体边界、微观粒子夹杂和空穴的存在，使得局部应力超过材料的屈服应力极限。低循环疲劳磨损通常出现在材料的弹塑性或者塑性变形状态。两种疲劳磨损均使材料表层以下某些区域产生硬化现象，且随着载荷的重复加载，材料内部的某些应力集中点周围发生的塑性应变不断加剧，裂纹产生并不断长大至表面时，在拉应力和压应力的作用下发生磨损。

四、腐蚀磨损

如果在腐蚀性液体或者气体中表面之间具有相互运动时，腐蚀磨损即会发生。由化学反应或者电化学反应产生的物质会附着在材料表面之上，作为磨损介质。这些介质的成分通常不同于基体材料而使得磨损状态更加复杂。这些反应会在基体材料表面发生并且在表面上形成反应物质层，物质层会被表面之间的摩擦作用消耗，所以在腐蚀磨损的分析中这种堆积和消耗现象是研究磨损量的重点内容。

试验目的、方法及制备

一、试验目的

在本次试验中，通过观察阀芯与阀座金属材料之间的磨损现象定性地分析磨损状态对密封副密封性能的影响；阀芯表面采用两种金属制成，可以对比不同种金属的磨损程度；使用球阀作为试验对象，可以观察金属材料在球面上相对运动时发生磨损的特征。

二、试验方法

采用一个完整的球阀配合气动执行机构作为研究对象，阀芯采用球面的一部分作为工作面，故称之为球芯，阀座设计为薄壁圆柱形，球芯与阀座的材质均为金属(零件材料及特性见表1)，为了观察不同种金属材料间的磨损状况，球芯表面采用两种金属制造，其中球芯表面与阀座接触的部分形成带状密封圈，此区域的材料与阀座材料相同，为钴基硬质合金；球芯的其他表面材料选用比带状密封圈硬度较小的材料，为奥氏体不锈钢。在试验的整个过程中保持球芯与阀座紧密接触，其压紧力由支撑阀座的弹簧提供，气动执行机构连续驱动球芯转动90度实现开启和闭合的动作。为了实现金属的直接接触以模拟最为恶劣的情况，球芯表面没有任何镀层和润滑；因为介质特性作为磨损失效的一个复杂因素会对结果产生不可预测的影响，所以在本次试验中没有人为地引入任何流体介质；试验温度为室温。

表1 零件材料及特性

(球阀实物图片及密封结构的说明见图4)

图4

三、试验制备

在本次试验中，球芯采用两种不同的金属进行制造，球芯基材为奥氏体不锈钢铸件，半成品加工中需要在带状密封区域加工凹槽，而后在凹槽处堆焊钴基硬质合金，再进行球面的精加工。

加工顺序如下：

铸件 → 基准面加工 → 球面粗加工及带状密封凹槽加工 → 凹槽处堆焊钴基硬质合金 → 基准面精整 → 球面精加工 → 球面精磨

泄漏测试采用标准泄漏测试工作台，测试流程及判定标准符合ANSI/FCI 70-2及IEC 60534-4中对密封等级为四级的规定。

(球芯机加工见图5)

图5

四、试验结果、分析和结论

1.结果：

在阀门连续启闭250次之后，球面出现轻微擦痕，其方向与球芯转动方向一致，在密封区域中可以发现有少量的黑色粉末和微小金属碎片，泄漏测试显示密封数值远小于四级标准所规定值。在阀门启闭500次后，其磨损情况与前250次相近，仍旧出现金属划痕的印记、黑色粉末和金属碎片，虽然启闭次数增加一倍，磨损状况并没有显著恶化，泄漏测试值仍然远低于四级标准。

阀门经过1500次连续启闭后，球芯表面出现了比之前较为严重的磨损，磨损的痕迹变得明显，仍然伴随黑色粉末和金属碎片，泄漏测试值仍然远低于四级标准。

阀门经过3000次连续启闭后，球芯表面的磨损进一步恶化，磨损痕迹更加明显，黑色粉末和金属碎片持续出现，另外，在球芯旋转经45度至90度时，可以明显的听到类似金属间摩擦的噪音(球芯旋转经90度至45度时出现相同的噪音)，泄漏测试值仍然远低于四级标准。

阀门经过4500次连续启闭后，磨损状况比较之前没有明显变化，噪音持续发生，在这一阶段没有进行泄漏测试。

阀门经过6000次持续启闭后，球芯表面可见非常严重的磨损，尤其在靠近尾轴一侧的半球面上，存在刻蚀痕迹，可以明显地观察到金属碎片随着球芯的转到不断掉落，大量的金属碎片聚集在阀座的底部区域，泄漏测试没有达到标准。在50 PSI 压力下阀门启闭5次后泄漏值为140 SCFH，在50 PSI 压力下阀门启闭10次后泄漏值为200 SCFH，阀门继续进行启闭动作时，刻痕有从球芯尾轴一侧向主轴一侧延伸的趋势。

(球面磨损状况见图 6)

图6

(测试结果见表2)

表2

2.分析：

在阀门泄漏不达标准后停止试验，将阀门拆解后进行分析。

-球面上奥氏体不锈钢(316L)材料部分出现了明显的磨损，其上可见微小的磨损凹槽，磨损区域主要发生在尾轴一侧并有向主轴一侧延伸的趋势。

-硬质合金阀座与球面接触的部分出现划痕，带状密封圈的边界不再清晰。某些局部磨损情况较为严重。

由球面的磨损状况可以判断在试验初期250次动作后出现黏着磨损，由于表面的粗糙度及局部的硬化作用，球面上的突起部分、氧化层和局部材料与基材剥离，形成黑色粉末以及微小的金属碎片，同时磨损也发生在阀座表面，随着磨损的加剧，球面及阀座表面变得粗糙，一部分剥落的金属碎片逐步聚集在这些粗糙表面的凹坑内，大量金属碎片在重力的作用下聚集在阀座底部，它们作为磨粒使磨损进一步恶化，磨损形式也由黏着磨损逐步转化为磨粒磨损。疲劳磨损或许也是原因之一。

-填料处同时发现有部分磨损的现象。

-位于主轴和尾轴处的两个轴承发现有磨损的现象，且主轴侧轴承的磨损状态较尾轴处的轴承更加恶略。

-主、尾两轴的表面也出现不同程度地磨损。

由轴承和轴的磨损情况可以判断磨损出现后导致轴、轴承以及填料偏离了原有的位置，失去装配精度，致使这些零件表面也存在不同程度的磨损，因为球芯的定位与这些零件关联，所以球芯也不再对中，磨损与定位的不断相互影响而且加速彼此恶化的速度。

3.结论：通过以上试验现象及分析，两种金属制成的球面在使用时，由于较软金属的提前磨损会使球面的状态加速恶化，比较相同材质的球芯，其使用寿命相对缩短；球面磨损程度与球芯对中精度相关，磨损状态越恶化，球芯对中精度越低，阀门越容易泄漏；球面出现微量磨损时，仍然能保证泄漏等级四级标准，根据此次试验的现象，在干摩擦及一定载荷的条件下，从球面出现磨损开始，阀门动作约3000次后存在泄漏风险；润滑及载荷对磨损有较大影响，在存在润滑及轻载条件下，阀门泄漏时的工作循环次数会大大增加；因为试验过程中，聚集在阀座底部的金属碎片没有清除，其充当磨粒会加大磨损程度，阀门在实际使用中因为流体介质的冲刷会带走一部分金属碎片以防止磨粒的堆积，由此判断，阀门在实际使用时，其磨损情况会比试验现象稍好。

[1]KOJI KATO， KOSHI ADACHI， “MODERN TRIBOLOGY HANDBOOK”

[3]K.R.MECKLENBURG， R.J.BENZING， “TESTING FOR ADHESIVE WEAR”

[5]“Fatigue Failure Of A Pin” by IMR test labs