食品加工用超高压针阀失效分析

食品加工用超高压针阀失效分析

1超高压设备选型食品加工中使用的超高压装置具有承受压力高（>100mpa）、循环负荷多（连续性工作通常为2.5次/h）等特点。因此，超高压设备的强度高，抗疲劳动性好，可以快速安装、拆卸和密封效果好。超高压容器的卸压阀既要能安全卸压又要能可靠的密封,而超高压液体冲击使阀芯受到磨损,失去密封能力而失效,因此现有的针阀使用寿命短,严重阻碍着高压食品的产业化进程,对其失效机理的研究与分析,是提高针阀寿命的关键。2结构和施工条件2.1超高压针阀开关的动密封副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。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,用于保证阀室与外界的密封。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,孔边缘的最大应力集中系数小,且使最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。2.2增压介质食品,主要有水率高、软固体颗粒食品加工用超高压阀是在高压力、小流量下工作,压力为100~800MPa,其工作介质一类是增压系统的增压介质,另一类是加工的果汁或果酱等含有悬浮物的流体食品。增压介质一般为水,属中性物质,而流体食品中一般含有酸性物质且含有大量的软固体颗粒。在高压力、高流速下,软固体颗粒也会造成一定的磨损。超高压阀工作时开启频繁,实验设备通常每小时开启约3次,若连续工业化生产,循环载荷次数多,则疲劳磨损严重。3gcr5的使用在实验室800MPa-15L的高压容器中实验用针阀的阀芯材料为GCr15,其硬度为50HRC。通过目测,在未使用前,密封面光滑,其粗糙度为Ra0.8μm,阀芯端部较尖锐。实验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。4分析4.1密封预紧力作用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。4.2密封保护装置磨损密封面磨损与气蚀、冲蚀和高温腐蚀有关。(1)气蚀的破坏速度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,这是空化作用的第一阶段,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,这种冲击压力最高时甚至可以超过1GPa。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。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。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。(2)高速流速和开度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。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。冲蚀最严重的地方是在阀芯的中心,因为此处流速最高,而气蚀侵蚀最严重的地方则在流速最高部位的下游。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。一般来说,材料的硬度越高,抗冲蚀的能力就越强。(3)降低气蚀与冲蚀之间之关系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阀芯为gcr5-阀芯的有效使用试验过程中通过改变阀芯材料及热处理方法提高其硬度,检测材料硬度对阀芯使用寿命的影响。一是将材料为GCr15的阀芯硬度由50HRC提高到60HRC,其有效使用次数显著增加。二是将材料改为W18Cr4V,热处理后硬度为60HRC,与材料为GCr15硬度为60HRC的阀芯相比,使用次数又有