【聚焦过程自动化】工程师如何选择适合高压水液压系统的阀门？
本文来自于《控制工程中文版》（CONTROL ENGINEERING China ）2017年3月刊，原标题为：选择适合的阀门材质
当选择用于高压水液压回路的阀门时，工程师们必须要考虑流体介质、压力、流速以及使用目的。
自从高压水液压系统在18世纪后期研制出来以后，已经得到了广泛的应用。第一套系统的设计是为了处理利用水力发电的潜能， 这种应用直到今天也都在广泛使用。水压系统经过多年的演变和发展已经被加工制造业、采矿业和钻探工业大量使用（见图1）。如果正确地设计和维护，这些安全可靠的系统会保持一贯的效率。
图1：多年以来，液压系统已经演变和发展到被加工制造业、采矿业和钻探工业大量使用。本文所有图片来源：Hunt阀门公司
当然，正确的设计需要大量的考虑，特别是对于那些构成这些系统的特殊部件的情况。阀门的选择至关重要，在作出选择的过程中，一个关键的方面就是要了解阀门中使用的物质如何对阀门以及整个系统的性能产生长远的影响。
确定参数
如果工程师选择用在高压水液压回路中的阀门时，这些阀门需要实现的功能最终会指导他们做出选择。流体介质、压力、流速以及特定阀门的目的都是帮助工程师确定选择何种类型阀门时的关键参数。
例如，如果在一个液压系统中需要一个阀门在750吨的压力下伸出或缩回一个液压缸，那么就需要设计一组使用于该应用的定向控制阀。工程师可以根据基于阀门的成本、维护的难易程度以及阀门的使用寿命等因素来进行特定阀门的选择决策。
除了这些基本的运行参数以外，工程师还需要特别阀门的材质。拿上面例子中提到的需要承受750吨压力的阀门来说，工程师必须注意到系统介质中可能含有哪些与阀门不相容的添加物。例如，如果流体介质中含有防火的乙二醇，那么构成阀门的阀体、密封以及填料部件的特定选择必须在了解乙二醇可能给这些部件造成的影响的情况下做出。
材质兼容性
了解这些材质是否兼容是非常关键的，特别是阀体上那些直接与流体介质相接触的部分（也被称为“浸润面积”），会根据不同类型的阀门而不同。本文的关注点在于基于水的液压系统，而在系统中选择特定材料的方式同样也适用于其他介质的情况。
“水液压系统”这个词实际上有点不恰当，因为使用纯净水运行的系统非常罕见。大多数的水液压系统是基于水的，意味着它们包含很大比例的水以及掺杂着一小部分其他添加物质，通常为水溶性的油。添加油的目的是改善水的润滑度，进而会减少密封、衬套、阀门以及泵的磨损，因为水本身的润滑很不好。也可以添加其他的添加物，例如乙二醇用于增强防火性或者灭微生物剂来去除微生物的生长。
水和乙二醇的混合物会很快地降低聚氨酯或聚酯密封的性能。与之相类似的是在一些城市用水中存在的氯会在一些阀门的应用场合造成缝隙腐蚀现象。阀门、密封盒衬垫的厂家一般都会公布一些不兼容性图表，其中列明了常见的情况以及这些情况如何影响其结构所用的材料。
对于任何工程师来说，这都是有价值的信息。当然，众所周知，仅仅水本身也会导致腐蚀，并且随着时间会影响阀门的部件。工程师了解流体介质的清洁程度也是很必要的。保养很好的闭环系统通常不会遇到流体介质清洁度的问题。然而，对于那些开环系统来说，例如在钢厂里用在除锈操作上的系统，在系统中使用循环水，水中的颗粒物对于浸润的阀体面积会产生损害。
这些颗粒物会撞击到那些表面并引起过度磨损。阀门设计以及结构材质的选择一定要考虑到这种类型介质的特性。流体介质的温度和工作环境是另一个需要考虑的因素。在更高温度的时候腐蚀发生的速率更快。不仅如此，温度可以让不同的材料以不同的程度膨胀或收缩，这样会造成泄漏问题、阀门部件上过度的结合应力或者阀门被卡住。
图2：该图显示了典型的液压阀门的构成部件。
常用的结构材料
阀芯、阀座以及阀体等部件的材料一般所具有的对腐蚀、温度以及磨损的承受范围会很宽。在高压水应用中常见的材料包括：
球墨铸铁：由于其低成本和容易获取而被使用，球墨铸铁提供了易于吸收冲击的额外优势。不利的一面是球墨铸铁通常在防腐方面性能不好。
黄铜和青铜：黄铜和青铜阀门也具有低成本并且容易获取。相比球墨铸铁的一个优势是防腐性能更好。
316不锈钢：以出色的防腐性能而闻名，316不锈钢阀门比球墨铸铁、黄铜以及青铜阀更贵。
蒙乃而和金：蒙乃尔镍铜合金提供了超好的防腐性能。它通常用在阀芯部件的包覆层上。
镍铁合金：由铬镍铁构成的合金，因科内尔用在处理更高温度的腐蚀性介质上。
密封、垫片以及填料通常有下列材质建造：
聚氨酯：这种耐用的材料的使用温度可高达93.3摄氏度、压力可高达413.7bar，并且具有出色的防磨性能。
氟橡胶：氟橡胶具有非常好的耐化学性以及在高温应用中不错的性能。
PTFE（聚四氟乙烯）：摩擦力超低的一种材料，可以使用在很大的压力和温度范围内。
玻璃填充PTFE：添加了玻璃的PTFE具有更好的机械性能，例如耐磨损性和热传导性能。
PEEK（聚醚醚酮）：聚醚酮很适合用在蒸汽的应用场合。通常它提供更高的温度级别以及良好的防腐性能。
做出理性的选择
一般情况下，通过对应用参数和流体介质的不兼容性就能够进行阀门材质的选择，紧随其后的是成本方面的考虑。在大多数情况下，实现目标功能的、价格最低的、并且构成材料与流体介质相兼容的阀门应该就是选择。需要注意的是，在一些特殊应用中，阀门部件的服务或更换周期可以通过使用更贵的构造材料而得到延长。
有时，额外的成本是值得的，特别是在必须将计划的停产时间控制在最短的情况下。即使是对于具有丰富的液压方面经验的最资深的工程师来说，设计一套高压水液压系统也是令人望而生畏的任务。需要做出很多决定、而且这些决定的大部分要考虑满足预算的要求。不过，如果工程师可以系统地研究工艺，达到了解系统的运行参数以及不同系统组件的要求，他们就可以设计出一套安全的、可靠的而且高效的系统。