孔板閥滑閥自鎖裝置球/盤配對副耐磨性能實(shí)驗(yàn)研究

陳林燕，康桂蓉，鐘林*,，何海洋，張榮耀，何霞，陶偉

（1.西南石油大學(xué)工程學(xué)院，四川南充637000；2.西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，成都631000；3.西南石油大學(xué)能源裝備研究院，成都631000；4.中油南充燃?xì)庥邢挢?zé)任公司，四川南充637000；5.青海油田采油四廠，青海茫崖816400）

孔板閥是油氣管道輸送中壓差流量計(jì)的核心裝置，因其操作方便、使用經(jīng)濟(jì)而應(yīng)用廣泛。但管道內(nèi)流通氣體攜帶的顆粒導(dǎo)致孔板表面易產(chǎn)生結(jié)晶和沉淀，而孔板閥在定期維修清洗過程中容易發(fā)生誤操作造成安全事故。目前已有許多研究著力于通過改變孔板閥結(jié)構(gòu)[1-2]或添加防護(hù)組件[3]來提高孔板閥使用安全性能，其中，蔣成果等[4]提出了一種簡單方便的孔板閥滑閥自鎖裝置，在保證原有孔板閥結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，轉(zhuǎn)動圓盤同時讓拉桿下落（上升）實(shí)現(xiàn)彈簧的放松（壓緊）以達(dá)到孔板閥滑閥的自動鎖定（解鎖）。自鎖裝置長期運(yùn)作在室外多變的環(huán)境，需要接觸大氣中的雨水和粉塵顆粒以及維修過程中的潤滑脂。運(yùn)行環(huán)境及現(xiàn)場操作要求自鎖裝置采用防腐防銹耐磨材料，其中304、316和440等不銹鋼因具有良好的機(jī)械性能和耐腐蝕性能，目前已被廣泛應(yīng)用于能源石化行業(yè)[5]。王朋關(guān)等[6]研究了煙炱顆粒具有減摩作用而灰塵顆粒會增加試樣的摩擦系數(shù)。同時研究表明不同材料配對副摩擦學(xué)性能受表面粗糙度的影響程度具有顯著差異，并且不同潤滑狀態(tài)對磨損量的影響也與配對副表面粗糙度密切相關(guān)[7-8]。自鎖裝置的材料、加工以及環(huán)境對其耐磨性能的影響將決定其使用效果，因此討論不同的配對副材料、粗糙度以及潤滑條件對自鎖裝置配對副摩擦學(xué)性能的影響具有重要意義。

目前研究多集中在聚醚醚酮（PEEK）[9]、聚氨酯[10]和環(huán)氧樹脂[11]等非不銹鋼材料與不銹鋼配對副的摩擦學(xué)性能討論，對于不銹鋼自配副的摩擦磨損研究較少。同時現(xiàn)有多是關(guān)于滑動狀態(tài)下不銹鋼自配副摩擦磨損性能的研究，Singh 等[12]、Fuadi等[13]研究了滑動條件下潤滑劑對SS304自配副摩擦磨損性能的影響，發(fā)現(xiàn)含氧化石墨烯添加劑的潤滑劑在配對副表面形成摩擦層以提高其摩擦學(xué)性能，而添加甲酯成分則能防止配對副接觸界面金屬間發(fā)生粘附以達(dá)到減緩磨損的作用。Chaudhry 等[14]討論了滑動條件下SS316L 自配副的微動磨損，發(fā)現(xiàn)不銹鋼自配副磨損是源于嚴(yán)重的塑性變形。但滾滑運(yùn)動相比滑動運(yùn)動更能減少配對副的磨損，而關(guān)于不銹鋼滾滑條件下的不銹鋼自配副摩擦學(xué)性能研究也較少。

基于上述問題，針對高級孔板閥滑閥自鎖裝置，本文創(chuàng)新性的將滾滑運(yùn)動工況引入不銹鋼自配副摩擦學(xué)性能研究，結(jié)合正交試驗(yàn)探究不同球/盤材料、盤粗糙度、潤滑條件這4種影響因素對不銹鋼自配副摩擦學(xué)性能的影響規(guī)律，以摩擦因數(shù)、總磨損量和磨損形貌作為摩擦學(xué)性能評價指標(biāo)，通過極差分析和方差分析確定4種影響因素對不銹鋼配對副摩擦磨損性能的敏感性和最優(yōu)參數(shù)，并結(jié)合現(xiàn)場運(yùn)行壽命要求驗(yàn)證優(yōu)選參數(shù)配對副的磨損壽命，為孔板閥滑閥自鎖裝置現(xiàn)場運(yùn)行提供數(shù)據(jù)支撐。

1 試驗(yàn)

1.1 材料制備

本文針對孔板閥滑閥自鎖裝置滾滑接觸模式，設(shè)計(jì)滾滑運(yùn)動的球/盤試驗(yàn)，原理如圖1所示，主球鋼珠與其頂部副球鋼珠配合實(shí)現(xiàn)滾動，同時主球鋼珠在其下方的轉(zhuǎn)動圓盤的帶動下實(shí)現(xiàn)滑動，主副球鋼珠及圓盤三者配合共同實(shí)現(xiàn)滾滑運(yùn)動。

圖1 實(shí)驗(yàn)原理圖

試件選用尺寸?69 mm × 6.6 mm 的304/316L/440C不銹鋼圓盤、?6.3 mm 的304/316L/440C不銹鋼主球，?2.5 mm440C不銹鋼副球。其中，440C不銹鋼為提高硬度，采用的固溶處理工藝參數(shù)為：首先淬火處理，1000℃加熱，保溫120 min，油冷；然后回火處理，260℃加熱，保溫480 min，空冷。圓盤表面粗糙度為Ra=0.4μm、0.8μm、1.6μm，主副鋼球表面粗糙度均為Ra=0.4μm。采用硬度計(jì)（HRS-150）測量試樣3個不同位置硬度值并取平均值，3種不銹鋼硬度值如圖2所示。

圖2 摩擦副材料維氏硬度

因?yàn)樽枣i裝置的防腐防銹要求，潤滑脂選擇鋰基潤滑脂（牌號HT-405），粉塵水中粉塵取自天然氣管道現(xiàn)場，其SEM 如圖3所示，主要成分見表1。

表1 粉塵成分表

圖3 粉塵SEM 圖

1.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)采用旋轉(zhuǎn)式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)（Bruker 公司UMT-2），試驗(yàn)工況如表2所示，其中轉(zhuǎn)速為維修操作中轉(zhuǎn)動自鎖裝置圓盤的平均值，加載力為304不銹鋼彈簧（1×8×30）最大行程在21 mm 下的彈簧力值,粗糙度為常用零件加工范圍0.4 ～1.6μm。為模擬自鎖裝置現(xiàn)場實(shí)際潤滑狀態(tài)，粉塵水潤滑條件為實(shí)驗(yàn)前將1 mL質(zhì)量濃度為1%的粉塵水均勻滴在摩擦副接觸面上，脂潤滑為將潤滑脂均勻噴涂在盤摩擦副上。每組實(shí)驗(yàn)運(yùn)行30 min，摩擦因數(shù)取穩(wěn)定運(yùn)行10 min 后數(shù)據(jù)平均值。采用超聲波清洗器（JEKEN）對磨損試驗(yàn)前后的試件進(jìn)行清洗15 min 并烘干，用電子分析天平（舜宇恒平公司，精度0.000 1 g）測量試件磨損前后的重量3次并取平均值。使用掃描電子顯微鏡（Zeiss公司EVO-10）對試驗(yàn)前后球/盤試樣表面形貌進(jìn)行微觀分析。采用白光干涉儀（Bruker 公司TTSB）對驗(yàn)證試驗(yàn)組盤試樣磨痕深度和寬度進(jìn)行測量。

表2 試驗(yàn)工況參數(shù)

本次模擬實(shí)驗(yàn)中選用正交試驗(yàn)方法以探究盤材料（A）、球材料（B）、盤粗糙度Ra（C）和潤滑條件（D）這4種影響因素對球/盤配對副摩擦學(xué)性能影響規(guī)律的影響并進(jìn)行優(yōu)化分析。該試驗(yàn)為四因素三水平，不考慮交互作用，正交因素與水平如表3所示。選擇L9（34）正交表設(shè)計(jì)試驗(yàn)，正交試驗(yàn)方案如表4所示，每組試驗(yàn)重復(fù)3次取平均值。

表3 正交試驗(yàn)因素水平表

表4 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2 結(jié)果討論

2.1 極差分析

極差分析可以評估每個影響因素對配對副摩擦系數(shù)和總磨損量的影響程度，影響因素的極差值越大，表明其對實(shí)驗(yàn)結(jié)果更敏感。根據(jù)表5正交試驗(yàn)結(jié)果得到摩擦因數(shù)（表6）和總磨損量的極差值（表7）。其中：Kji為不同影響因素的摩擦因數(shù)和總磨損量；Rj為影響因素A、B、C、D的極差值[15]。由極差分析結(jié)果可得，影響因素對摩擦因數(shù)的敏感性順序?yàn)闈櫥瑮l件＞盤材料＞球材料＞粗糙度，影響因素對總磨損量的敏感性順序?yàn)楸P材料＞球材料＞潤滑條件＞粗糙度。

表5 正交試驗(yàn)結(jié)果

表6 摩擦因數(shù)μ 極差分析

表7 總磨損量g 極差分析

分析因素的不同水平值對摩擦因數(shù)和總磨損量的影響可以獲得影響因素的最優(yōu)水平組合[16]?；诒?和表7分析結(jié)果繪制4個因素對配對副摩擦因數(shù)和總磨損量影響的變化趨勢，如圖4所示。由圖4可得，摩擦因數(shù)隨盤材料和球材料分別從304、316L到440C變化而減小，隨粗糙度度減小而減小，隨潤滑條件從無潤滑、粉塵水混合潤滑到脂潤滑變化先增加后減小。粉塵水混合潤滑時摩擦因數(shù)最大，脂潤滑時摩擦因數(shù)最?。磺虮P材料均為304時摩擦因數(shù)最大，均為440C 時摩擦因數(shù)最小；粗糙度為0.4μm 時摩擦因數(shù)最小。配對副的總磨損量變化趨勢隨影響因素變化相同。脂潤滑時總磨損量最?。磺虮P材料為440C時總磨損量最??；粗糙度0.8μm總磨損量最小。綜合分析可得，最佳參數(shù)為：盤材料440C，球材料440C，粗糙度0.4μm，潤滑條件脂潤滑。

圖4 摩擦因數(shù)和總磨損量隨因素水平變化趨勢圖

2.2 極差分析

極差分析法無法判斷結(jié)果是實(shí)驗(yàn)誤差導(dǎo)致還是水平不同的結(jié)果[17]，對總磨損量進(jìn)行方差分析可以判斷不同因素對試驗(yàn)結(jié)果影響的顯著性。

取顯著性水平α = 0.01，根據(jù)表8 結(jié)果，F(xiàn)A=11.41＞F0.01（dfA,dfe）=8.02，表明盤材料（因素A）對總磨損量有顯著性影響，置信度為99%；FB=10.38＞F0.01（dfB,dfe）=8.02，表明球材料（因素B）對總磨損量有顯著性影響，置信度為99%；FC=2.69＜F0.01（dfC,dfe）=8.02，表明粗糙度（因素C）對總磨損量影響不顯著；FD=72.88＞ F0.01（dfD,dfe）=8.02，表明球材料（因素D）對總磨損量有顯著性影響，置信度為99%。方差分析結(jié)果與極差分析敏感性結(jié)果一致。綜上所述，配對副最優(yōu)摩擦磨損性能的影響參數(shù)為：盤材料440C，球材料440C，粗糙度0.4μm，潤滑條件脂潤滑。

表8 總磨損量方差分析表

2.3 磨損形貌

圖5為工況100 N、32 r/min 下S1～ S9各組球/盤摩擦副磨損形貌圖。

圖5 S1～ S9 磨損后球/盤表面SEM 圖

從圖5a）、圖5b）和圖5d）中可以看出球摩擦副表面存在剝落，對應(yīng)的304盤表面分別可見清晰的與球運(yùn)動方向一致的犁溝（圖5a））和黏著坑（圖5b）），而圖5d）中的316L 盤表面為磨痕和黏著坑。圖5c）和圖5e）中可以看出球表面為輕微劃痕，對應(yīng)的304盤表面（圖5c））無明顯磨損痕跡，316L 盤表面（圖5e））為淺犁溝。圖5f）顯示440C球表面存在劃痕凹坑，對應(yīng)盤表面有可見磨粒。其中，粉塵水混合介質(zhì)中的磨粒以及干摩擦過程產(chǎn)生的磨粒與金屬表面間會產(chǎn)生高接觸應(yīng)力對兩個摩擦表面造成磨損破壞[18]。無潤滑配對副會在摩擦過程中產(chǎn)生磨屑，隨后微觀切削過程中磨屑變成三體磨粒磨損[19]。而粉塵中的固體顆粒在往復(fù)運(yùn)動下黏附在摩擦副增加配對副表面粗糙度，導(dǎo)致粉塵水潤滑的配對副磨損更嚴(yán)重[20]（圖5b）和圖5d））。脂潤滑具有良好減摩作用，可以提高摩擦副抗黏著磨損能力，所以圖5c）、圖5e）和圖5g）配對副表面劃痕更少且沒有黏著磨損現(xiàn)象。

圖5g）顯示球表面為明顯的塑性變形，盤表面無明顯磨損痕跡。圖5h）顯示球表面為明顯劃痕和黏著脫落，盤表面有黏著物。因?yàn)榍?盤配對副硬度差較大時，較硬盤表面機(jī)加工產(chǎn)生的微凸體會刮擦較軟表面，導(dǎo)致較軟的球表面出現(xiàn)表面磨損和材料遷移，而圖5g）則因潤滑脂的潤滑抗磨作用，較軟的球表面僅發(fā)生塑性變形[21-23]。圖5i）顯示球表面有凹坑和劃痕，盤表面出現(xiàn)分層并剝落。因?yàn)榇私M440C試樣不銹鋼基體為Ra=1.6μm，而較大的粗糙度導(dǎo)致試樣熱處理層疏松度增加，在往復(fù)接觸應(yīng)力易出現(xiàn)分層并破碎脫落[24]，結(jié)合敏感性分析說明在本文試驗(yàn)工況下選擇粗糙度Ra=0.4μm 和Ra=0.8μm最佳。

2.4 磨損壽命驗(yàn)證

基于自鎖裝置現(xiàn)場應(yīng)用的壽命要求（球使用次數(shù)≥9 600 次、旋轉(zhuǎn)速度32 r/min），球配副使用次數(shù)達(dá)9600次以上，對應(yīng)配對副轉(zhuǎn)速32 r/min，換算為單元試驗(yàn)即需要連續(xù)旋轉(zhuǎn)摩擦5 h。自鎖裝置應(yīng)用現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜，所以通過驗(yàn)證無潤滑惡劣工況下配對副磨損壽命以確保所有工況均能滿足現(xiàn)場應(yīng)用要求。粗糙度的影響敏感度較小并且結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)性選擇粗糙度為Ra=0.8μm，結(jié)合優(yōu)選參數(shù)球/盤材料440C，在100 N、32 r/min 條件開展球/盤配對副磨損使用壽命5 h 驗(yàn)證試驗(yàn)。

5 h 驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)束后，球/盤配對副仍可正常運(yùn)行。圖6a）表明球/盤配對副摩擦系數(shù)整體波動沒有出現(xiàn)突變，即沒有進(jìn)入劇烈磨損階段。圖6b）表明球試樣表面為輕微的劃痕，盤試樣表面為沿運(yùn)動方向的劃痕，沒有出現(xiàn)明顯的溝槽和黏著磨損，因?yàn)榕鋵Ω辈牧?40C進(jìn)行表面固溶處理，相比304和316L 表面硬度更高，降低了摩擦副表面黏著磨損，并且較低的粗糙度和表面粉塵顆粒的減少也降低了摩擦副表面磨粒磨損。上述結(jié)論表明優(yōu)選組合在惡劣模擬試驗(yàn)工況下具有良好的適用性。

圖6 驗(yàn)證組摩擦系數(shù)圖及磨損后球/盤表面SEM 圖

3 結(jié)論

1）選取球/盤材料（304、316、440C）、盤粗糙度（Ra=0.4、0.8、1.6μm）、潤滑條件（無潤滑、脂潤滑、粉塵水潤滑）為試驗(yàn)因素，摩擦因數(shù)和總磨損量為試驗(yàn)指標(biāo)，在100 N、32 r/min 條件下開展30 min正交模擬試驗(yàn)，方差分析結(jié)果表明，潤滑條件、盤材料和球材料對球/盤配對副摩擦系數(shù)和總磨損量的影響較為顯著，而粗糙度的影響敏感性較小。

2）試驗(yàn)工況下，通過極差和方差分析得到最優(yōu)參數(shù)：盤材料440C，球材料440C，盤粗糙度Ra= 0.4 μm，潤滑條件脂潤滑。

3）球/盤材料440C、盤粗糙度Ra=1.6μm、粉塵水潤滑工況下運(yùn)行30 min 的盤配副表面磨損形貌表明，盤粗糙度為Ra=1.6μm 時盤表面出現(xiàn)分層和剝落，其原因?yàn)檩^高的粗糙度會導(dǎo)致固溶熱處理層疏松度增加，所以熱處理層容易在往復(fù)接觸應(yīng)力下開裂分層。

4）基于正交試驗(yàn)優(yōu)選球/盤材料參數(shù)440C，在盤粗糙度Ra=0.8μm、無潤滑的惡劣模擬工況下開展5 h 磨損壽命驗(yàn)證試驗(yàn)，得到驗(yàn)證組球/盤配對副摩擦系數(shù)無突變，球/盤表面無劇烈磨損，表明試驗(yàn)優(yōu)選結(jié)果可以達(dá)到自鎖裝置現(xiàn)場應(yīng)用全壽命周期可靠性。