Ursachen für Erosion an Ventilsitzen

Wenn ein Ventilkäfig, ein Ventilkegel, ein Ventilsitz, eine Ventilscheibe, eine Ventilkugel oder eine Drosselklappeneinsätze zu schnell auswaschen, besteht die erste Reaktion oft darin, das Material dafür verantwortlich zu machen.

Diese Reaktion ist verständlich. Die beschädigte Stelle ist sichtbar, die Dichtkante fehlt, die Öffnung hat sich vergrößert oder die Drosselfläche wurde abgetragen. Es erscheint naheliegend, ein härteres Material zu fordern.

Bei Ventilen unter extremen Betriebsbedingungen wird Erosion jedoch selten allein durch die Materialwahl verursacht.

Erosion wird üblicherweise durch eine Kombination aus hoher Geschwindigkeit, Druckabfall, Partikelaufprall, Dampfbildung, Blasenkollaps, Turbulenzen, Strömungsrichtung, Korrosion und wiederholtem Betrieb in einem schädlichen Kontrollbereich verursacht.

Wir bei Langsun Carbide fertigenVentilkäfige aus WolframkarbidVentilscheiben, Ventilkegel, Ventilsitze und andere Verschleißteile der Durchflussregelung. Aus dieser Perspektive würde ich das Problem folgendermaßen zusammenfassen:

Wolframcarbid Die Erosion kann dadurch zwar verlangsamt werden, aber die Ventilkonstruktion muss dennoch kontrollieren, wohin Energie, Partikel, Dampf und Aufprall tatsächlich gelangen.

Dieser Artikel erläutert die Hauptursachen für Erosion an Ventileinsätzen und was Ingenieure und Käufer überprüfen sollten, bevor sie den beschädigten Einsatz durch einen gleichartigen ersetzen.

Was ist Ventiltrimm?

Ventilbeschläge bezeichnen die internen Bauteile, die den Durchfluss direkt steuern, drosseln, führen, abdichten oder begrenzen. Je nach Ventilkonstruktion können zu den Beschlägen Folgendes gehören:

● Stecker

● Sitz

● Käfig

● Scheibe

● Ball

● Stielart

● Felsenbohne

● Öffnung oder Drossel

● Führungsflächen

● Mehrstufige Druckminderungselemente

Diese Bauteile sind den extremsten lokalen Strömungsbedingungen ausgesetzt. Das Ventilgehäuse mag zwar dem Prozessdruck ausgesetzt sein, aber die Innenteile erfahren oft die höchste Strömungsgeschwindigkeit, die intensivsten Turbulenzen, den stärksten Partikelaufprall und die abruptesten Druckänderungen.

Deshalbkundenspezifische Ventileinfassungskomponenten aus WolframkarbidSie werden häufig für Drosselventile, Regelventile für extreme Betriebsbedingungen, Werkzeuge zur Durchflussregelung in der Öl- und Gasindustrie, Ventile für die chemische Verfahrenstechnik und andere Anwendungen zur Druckreduzierung eingesetzt.

Acht Hauptursachen für Ventilsitzerosion

Ursache	Warum es die Zierleisten beschädigt	Typische Hochrisikoteile
Schleifmittel	Partikel prallen mit hoher Geschwindigkeit auf die Verkleidung oder gleiten darüber.	Käfigöffnungen, Steckerkanten, Sitze, Drosselklappen, Auslassbereiche
Hohe Geschwindigkeit	Die Aufprallenergie erhöht sich mit zunehmender Strömungsgeschwindigkeit durch verengte Öffnungen.	Kleine Öffnungen, Portränder, Drosselschlitze, Vena contracta-Region
Großer Druckabfall	Die Energiefreisetzung konzentriert sich auf einen kleinen Trimmbereich.	Einstufige Trimmung, Drosselklappen, Druckablassventile
Blinkend	Die zweiphasige Flüssig-Dampf-Strömung entfernt Material entlang des nachgelagerten Pfades	Steckeranschluss, Sitzausgang, nachgelagerter Käfig, Ventilkörperausgang
Kavitation	Der Kollaps von Blasen erzeugt Mikrostrahlen und Stoßwellen.	Druckrückgewinnungszonen, nachgelagerte Trimmung, Käfigausgänge, Ventilkörperwand
Mehrphasenströmung	Gase, Flüssigkeiten, Tröpfchen und Feststoffe ändern den Aufprallwinkel und die lokale Geschwindigkeit.	Drosselventile, Abscheiderventile, Produktionsventile, Auslasszonen
Schlechter Strömungsweg oder Aufprall	Der Luftstrom wird auf kritische Verkleidungs- oder Karosserieoberflächen gelenkt.	Sitzbereich, Karosseriewand, Frontblende, Auslassbogen, Käfigfenster
Korrosionsbedingte Erosion	Chemische Angriffe schwächen das Material vor der mechanischen Entfernung.	Nasse Bearbeitungsflächen, Spalten, Hartmetallbindemittelphase, Stahlrücken, Sitze

1. Abrasive Feststoffe in der Prozessflüssigkeit

Abrasive Feststoffe gehören zu den direktesten Ursachen für die Erosion von Ventileinsätzen.

Häufige Partikel sind:

● Formationssand

● Skala

● Rost

● Katalysatorfeinanteile

● Mineralpartikel

● Kohlepartikel

● Bohren von Feststoffen

● Kristalle oder ausgefällte Salze

● Harte Prozessverunreinigung

In einem Regel- oder Drosselventil bewegen sich diese Partikel nicht einfach langsam durch ein Rohr. Sie beschleunigen durch verengte Öffnungen und treffen in schädlichen Winkeln auf die Dichtflächen.

Der Sand kann sowohl die Ventile als auch die Druckkammer beschädigen, und eine sorgfältige Auswahl von Ventilen und Ventilen kann die Wartungsintervalle verlängern, auch wenn kein Material völlig immun gegen Sanderosion ist.

2. Hohe Strömungsgeschwindigkeit durch verengte Trimmöffnungen

Die Erosion wird stark von der lokalen Strömungsgeschwindigkeit beeinflusst. Die Schäden treten häufig dort auf, wo die Strömung durch eine kleine Fläche gezwungen wird:

● Kleine Ventilöffnungen

● Käfiganschlüsse

● Sitzspalte

● Erstickungsbeschränkungen

● Spielautomaten

● Gebohrte Löcher

● Abstände zwischen Stecker und Sitz

Wenn ein Ventil nahe am Ventilsitz arbeitet, verringert sich der Durchflussquerschnitt und die Strömungsgeschwindigkeit steigt. Sind Sand oder Tropfen vorhanden, beschleunigt sich die Beschädigung durch den Aufprall.

Aus diesem Grund kann eine Zierleiste bei geringer Öffnung schneller verschleißen als bei größerer Öffnung, selbst wenn der Gesamtdurchfluss nicht maximal ist.

3. Großer Druckabfall konzentriert sich auf eine Stufe

Ein Druckabfall ist nicht zwangsläufig schädlich. Regelventile sind so konstruiert, dass sie einen Druckabfall erzeugen.

Das Problem ist, wie und wo diese Druckenergie freigesetzt wird.

Wenn an einer einzelnen Verengung ein großer Druckabfall auftritt, kann das Ventil folgende Auswirkungen haben:

● Sehr hohe lokale Geschwindigkeit

● Blockierter Durchfluss

● Blinkend

● Kavitation

● Aerodynamischer oder hydrodynamischer Lärm

● Vibration

● Aufprall stromabwärts

Mehrstufige Trimmvorrichtungen, Labyrinth-Trimmvorrichtungen, Bohrlochkäfige oder druckausgeglichene Konstruktionen können die Energie auf mehrere Stufen verteilen. Ziel ist es, die Intensität des lokalen Angriffs zu reduzieren.

Ein Hartmetallbauteil kann zwar den Verschleiß an der Schneidfläche verringern, aber es beseitigt nicht die Druckverlustenergie. Wenn der Druckverlust weiterhin auf eine schädliche Stelle konzentriert ist, kann sich die Erosionszone einfach stromabwärts verlagern.

4. Blinken im Flüssigkeitsbetrieb

Eine Verdampfung tritt auf, wenn eine Flüssigkeit durch das Ventil fließt, der Druck unter den Dampfdruck der Flüssigkeit fällt und der nachgelagerte Druck unter dem Dampfdruck bleibt.

Einfacher ausgedrückt: Ein Teil der Flüssigkeit verdampft und bleibt stromabwärts gasförmig.

Die Verdampfung ist stark erosiv, da die Strömung zu einem Hochgeschwindigkeits-Flüssigkeits-Dampf-Gemisch wird. Verdampfungserosion führt zu glatten und glänzenden Oberflächen. Es ist zu beachten, dass die Verdampfung selbst durch das Ventil nicht verhindert werden kann; die praktische Lösung besteht darin, die geeignete Geometrie und die passenden Materialien zu wählen, um Schäden zu vermeiden oder zu minimieren.

5. Kavitation in Flüssigkeiten

Die Kavitation beginnt ähnlich wie die Verdampfung: Der lokale Druck sinkt unter den Dampfdruck und es bilden sich Dampfblasen.

Der Unterschied besteht darin, dass der Druck stromabwärts später wieder über den Dampfdruck ansteigt. Die Blasen kollabieren.

Dieser Kollaps kann Mikrostrahlen und Stoßwellen erzeugen, die nahegelegene Metall- oder Karbidoberflächen angreifen.

6. Mehrphasenströmung und Tropfenaufprall

Viele Ventile für extreme Betriebsbedingungen sind nicht für saubere, einphasige Fluide geeignet.

Sie können Folgendes handhaben:

● Gas mit Sand

● Gas mit Flüssigkeitströpfchen

● Flüssigkeit mit Gasblasen

● Öl-Wasser-Gas-Gemische

● Dampf-Wasser-Gemische

● Erzeugte Flüssigkeiten mit Sand und Korrosionsprodukten

● Schlämme mit gelöstem Gas

Mehrphasenströmungen sind schwierig, da sich jede Phase im Strömungsbereich unterschiedlich verhält. Gase beschleunigen anders als Flüssigkeiten. Tröpfchen können mit hoher Geschwindigkeit auftreffen. Partikel folgen der Gasströmung möglicherweise nicht exakt.

In Drosselventilen kann mitgeführter Sand unter hohem Druck konzentrierte Erosionszonen bilden. Eine numerische Studie zur Drosselventilerosion in Hochdruck-Hochtemperatur-Gasquellen identifizierte Bereiche mit hoher Strömungsgeschwindigkeit und hohem Druck, die sich mit der Ventilöffnung verändern. Dies zeigt, warum Öffnungsposition und Geometrie den Erosionsort beeinflussen.

7. Ungünstige Strömungsrichtung, Geometrie oder direkter Aufprall

Die Erosion der Ventileinsätze tritt oft nur lokal auf. Die beschädigte Stelle ist nicht immer das schwächste Material; es kann sich einfach um die Oberfläche handeln, die dem stärksten direkten Aufprall ausgesetzt war.

Geometriebedingte Erosion kann folgende Ursachen haben:

● Strömung in eine Körperwand gerichtet

● Durch eine enge Öffnung strömen

● Scharfe Kanten an den Käfiglöchern

● Plötzliche Erweiterung stromabwärts des Sitzes

● Fehlausrichtung zwischen Stecker und Käfig

● Falsche Flussrichtung (Öffnen oder Schließen)

● Fehlender Diffusor oder Auslassschutz

● Ungleichmäßige Verteilung durch Mehrloch-Befestigung

Valve Magazine weist darauf hin, dass die Strömungsrichtung genutzt werden kann, um ein direktes Auftreffen auf die Gehäusewand zu reduzieren, und dass Sitzdiffusoren bei einigen Kugelventilanordnungen dazu beitragen können, ein direktes Auftreffen zu verhindern.

Langsun Carbide vertritt eine ähnliche Ansicht: Ein Hartmetalleinsatz sollte die am stärksten gefährdete Oberfläche schützen, aber das Ventil sollte den zerstörerischsten Strahl nicht absichtlich auf eine ungestützte Hartmetallkante oder einen dünnen Abschnitt lenken.

8. Korrosionsbedingte Erosion

Korrosion und Erosion wirken oft zusammen.

Eine korrosive Flüssigkeit kann die Oberfläche zunächst schwächen. Anschließend tragen Strömungen mit hoher Geschwindigkeit, Partikel, Tröpfchen oder Kavitation das geschwächte Material ab. Sobald der schützende Oberflächenfilm entfernt ist, kann sich die Korrosion erneut beschleunigen.

Dieser Zyklus ist besonders wichtig in:

● Sauergas-Dienstleistungen

● Erzeugtes Wasser

● Saure chemische Prozesse

● Chloridhaltige Flüssigkeiten

● Nass-CO2-Service

● H2S-haltige Flüssigkeiten

● Suspension mit korrosiver flüssiger Phase

● Verdampfende oder kavitierende korrosive Flüssigkeiten

Es sollten Materialien ausgewählt werden, die sowohl für mechanische als auch für chemische Angriffe geeignet sind, und dass ein mechanischer Angriff Schutzschichten entfernen und das Basismaterial anfälliger für chemische Angriffe machen kann.

Sekundäre Faktoren, die die Ventilsitzerosion beschleunigen

Überdimensioniertes Ventil

Ein überdimensioniertes Ventil kann über längere Zeiträume mit einer sehr kleinen Öffnung arbeiten. Dadurch konzentriert sich der Durchfluss auf einen engen Bereich und erhöht die lokale Strömungsgeschwindigkeit.

Falsche Zierleistenart

Standardarmaturen sind möglicherweise nicht für Druckabfall, Kavitation, Verdampfung oder den Einsatz in Feststoffen geeignet. Für extreme Betriebsbedingungen können Armaturen erforderlich sein, um den Druckabfall zu stufenweise abzufangen, den Durchfluss zu verteilen oder das Gehäuse zu schützen.

Falsche Materialkombination

Eine gehärtete Stahlverkleidung mag für saubere Flüssigkeiten ausreichend sein, jedoch nicht für sandiges Gas. Ein sprödes Material mag feiner Erosion widerstehen, kann aber unter Stoß- oder Temperaturschockbedingungen reißen.

Oberflächenrauheit nach anfänglicher Beschädigung

Sobald eine Oberfläche rau wird, kann dies die Strömung stören und stärkere Turbulenzen erzeugen. Dadurch können sich Schäden beschleunigen, selbst wenn die ursprüngliche Erosionsrate mäßig war.

Ungünstiger Wartungszeitpunkt

Vergrößert sich eine Käfigöffnung, kann sich die Durchflusskapazität des Ventils verändern. Das Ventil arbeitet dann möglicherweise in einem anderen Bereich, was die Erosion an anderen Stellen verstärkt.

Unerwartete Prozessänderungen

Neue Sandförderung, veränderter Druck, veränderte Durchflussrate, Gasaustritt, Korrosion im vorgelagerten Bereich oder ein neuer chemischer Zusatzstoff können dazu führen, dass eine bestehende Anlage ungeeignet wird.

Wie die Materialauswahl hilft – und wo sie nicht hilft.

Die Materialauswahl ist wichtig, sie muss aber zum Ausfallmodus passen.

Wann Wolframcarbid hilft

Wolframcarbid kann wertvoll sein, wenn der Hauptschaden durch Folgendes verursacht wird:

● Sandaufprall

● Harte Partikel

● Hafenauswaschung

● Choke-Trimm-Erosion

● Sitzkantenverlust

● Hochgeschwindigkeits-Abrasivströmung

● Geometrieverlust, der das Cv- oder Abschaltverhalten verändert

Langsun Carbide stellt herVentilscheiben aus WolframkarbidVentilkegel, Ventilkäfige, Ventilsitze und Verschleißteile zur Durchflussregelunggemäß Kundenzeichnungen und Anwendungsanforderungen.

Eine gute Konstruktion für stark beanspruchte Bereiche besteht nicht einfach darin, überall hartes Material zu verwenden.

Zunächst wird ermittelt, wo Erosion auftreten wird, dann wird ein geeignetes Material in einer Geometrie platziert, die der Belastung standhalten kann.

Für Wolframkarbidventil Trimmen bedeutet überprüfen:

● Aufprallrichtung des Partikels

● Port-Kanten-Geometrie

● Sitz- und Steckerbelegung

● Passgenauigkeit und Unterstützung des Hartmetalleinsatzes

● Druckabfallstufen

● Korrosionsbeständigkeit des Bindemittels

● Thermischer und mechanischer Schock

● Inspektions- und Austauschstrategie

Bei Langsun Carbide bevorzugen wir die Herstellung von Hartmetall-Ventilkomponenten anhand der tatsächlichen Zeichnungs- und Anwendungsdaten und nicht nur anhand einer generischen Teilebezeichnung.

Die beste Hartmetallbearbeitungsschneideinheit ist nicht nur hart. Sie ist auch richtig positioniert, richtig abgestützt, richtig abgestuft und auf den Erosionsmechanismus abgestimmt.

Häufig gestellte Fragen

Was verursacht Erosion an Ventilsitzen?

Die Hauptursachen sind abrasive Feststoffe, hohe Strömungsgeschwindigkeit, großer Druckabfall, Verdampfung, Kavitation, Mehrphasenströmung, direkter Aufprall und korrosionsbedingter Verschleiß.

Worin besteht der Unterschied zwischen Erosion und Kavitation in Ventilen?

Erosion bezeichnet üblicherweise den Materialabtrag durch Hochgeschwindigkeitsströmungen, Partikel, Tröpfchen oder Zweiphasenströmungen. Kavitation entsteht durch die Bildung und das anschließende Kollabieren von Dampfblasen beim Wiederanstieg des Drucks, wodurch Mikrostrahlen und Stoßwellen entstehen.

Wie sehen Blitzschäden aus?

Durch die Verdampfung entstehen oft glatte, glänzende und gerichtete Schäden, da das Flüssig-Dampf-Gemisch stromabwärts bleibt und weiterhin Material entlang des Strömungswegs abträgt.

Warum beschädigt Sand Ventileinsätze so schnell?

Sand wirkt äußerst schädlich, wenn er durch kleine Öffnungen in der Verkleidung beschleunigt wird. Je höher die lokale Geschwindigkeit und je härter oder kantiger die Partikel sind, desto schneller verliert die Verkleidungsoberfläche Material.

Kann es zu Erosion an den Dichtungen von Absperrventilen aus Wolframkarbid kommen?

Wolframcarbid kann die Beständigkeit gegen abrasiven und erosiven Verschleiß erheblich verbessern, jedoch kann es Erosionen, die durch falsche Ventildimensionierung, unkontrollierte Kavitation, starkes Verdampfen, schlechte Strömungsrichtung oder Korrosion an der Baugruppe verursacht werden, nicht beseitigen.

Referenzen

1. Emerson, „Verdampfung von Regelventilen“. Die Quelle erklärt, dass Verdampfung auftritt, wenn Flüssigkeit verdampft und stromabwärts als Dampf erhalten bleibt, und dass das Flüssigkeits-Dampf-Gemisch stark erosiv ist.

2. Valve Magazine, „Umgang mit Sanderosion in Regel- und Drosselventilen“. Der Artikel erklärt, dass Sanderosion sowohl die Dichtungsteile als auch die Druckhüllkurventeile betrifft und dass Geschwindigkeit und Druckabfall gemeinsam betrachtet werden sollten.

3. Valve Magazine, „Verdampfung und Kavitation“. Der Artikel behandelt mechanische Angriffe, Verdampfung, Kavitation, Materialauswahl und Strategien zur Strömungsisolierung.

4. Valmet, „Lösungen für Regelventile unter extremen Betriebsbedingungen“. Die Quelle erklärt, dass Kavitations- und Verdampfungsschäden von der Ventilauswahl, der Druckstufensteuerung und den vollständigen Prozessdaten abhängen.

5. Kent Introl, „Ventilerosionslösungen“. Die Quelle nennt Kavitation, Gratbildung und Partikel wie Sand oder Schmutz als Erosionsursachen und erörtert die Material- und Zubehörauswahl.

6. Guo et al., „Studie zur Erosion von Drosselventilen in Hochdruck-Hochtemperatur-Gasquellen“, Prozesse, 2022. Die Studie analysiert die Erosion von Drosselventilen unter Gas-Feststoff-Strömung und zeigt, wie Öffnungsposition, Geschwindigkeitsverteilung und Partikelverhalten den Erosionsort beeinflussen.

7. Emerson Exchange 365, „Auswahl der richtigen Werkstoffe für Regelventile“. Die Zusammenfassung des Artikels identifiziert Erosion, Verdampfung, Kavitation, Korrosion, Temperaturextreme und kombinierte Degradationsmechanismen bei Werkstoffen für Regelventile.

Author | Allen

Allen ist Internationaler Marketingdirektor bei NINGBO LANGSUN TUNGSTEN CARBIDE CO., LTD. Er verfügt über mehr als 5 Jahre Erfahrung im Bereich industrieller Verschleißteile und Anwendungen von WolframcarbidEr arbeitet mit Kunden in den Bereichen Öl und Gas, Ventil- und Durchflussregelung, Metallverarbeitung, chemische Verarbeitung, Pumpen, Oberflächenbehandlung, Bergbau und Mineralverarbeitung zusammen.

Sein Schwerpunkt liegt darauf, OEMs, Geräteherstellern, Ingenieurbüros und Beschaffungsteams bei der Auswahl zuverlässiger Wolframkarbid-Verschleißteile zu helfen, basierend auf realen Arbeitsbedingungen, Materialeigenschaften, Herstellbarkeit und Qualitätskontrollanforderungen.

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