现代化工装置所处工况具有高温、高压、高磨损、高腐蚀、高频的特性，如高密度聚烯烃装置，开关频率为1次/30s，开关时间不超过3s；“宁煤炉”煤锁斗压力6.2MPa，温度150℃，开关频率1次/30min；硅化工旋风下料和回料工况，压差0.7MPa，温度280℃，输送介质为硅粉、甲基氯硅烷，开关频率4次/h；延迟焦化装置中的进料线及油气线，压力0.4MPa，温度500℃，介质为渣油或油气，介质易结焦；连续重整装置重整催化剂工位，压力4.26MPa，温度427℃，介质为吸附剂，开关频率3次/h。低温甲醇洗、乙烯等反应单元，还具有低温的特点。对于恶劣工况下的耐磨球阀，传统的试验方法，如壳体试验、密封性试验，仅是阀门检测的最低要求，并不能完全适用于恶劣工况，因此还应开展材料、涂层、整机、工况模拟等试验，以确保阀门质量安全可靠。
1.动力学分析
1.1 材料强度
化工装置用阀门材料主要由碳钢、奥氏体不锈钢、马氏体不锈钢、双相钢、镍基合金等组成。材料的弹性模量是衡量材料抵抗弹性变形的能力，是阀门设计中的重要参量。对于在恶劣工况下运行的阀门，所选材料除参照相关标准外，均应进行试棒拉伸测试，获取材料的实际弹性模量，以此作为设计依据。
1.2 涂层试验
涂层试验主要内容为测试涂层结合力、金相、硬度。涂层的受力形式主要为挤压，故制作试样并将其放置在拉伸-压缩试验机中，模仿实际使用的球体和配对研磨凹面的阀座来进行挤压测试，且试验用的球体应保证其刚度，防止由于过量弹性变形引起的涂层剥落而导致判断失误。除了金相试验，还可利用高压水测试对涂层孔隙率进行检测。采用高压水测试时，分别进行不同时间的保压，发现球体表面有渗漏现象（图1）。
（a）保压1min （b）保压5min （c）保压7min （d）保压10min
图1 涂层渗漏
分析涂层试验结果，渗漏并非来自于球体和阀座的密封副，而是在整个球冠表面有渗漏。将被测球体切割并研磨抛光，在金相试验机上进行涂层金相试验，发现涂层处存在较多孔隙且较为连贯（图2），液体介质沿着连贯的孔隙从涂层中渗出。涂层的孔隙率高，是造成渗漏的主要原因。
图2 涂层金相试验结果
涂层试验还应进行高温结合性测试[4~7]。粉末生产商提供的涂层材料适用温度，仅是涂层本身的物理性能，不能代表球体涂层的使用温度。在高温下涂层与不同材料的结合力及耐温性，必须通过试验来确定。将喷涂后的球体放入高温加热炉中，随着加热炉缓慢升温，达到测试温度后，分别进行随炉冷却、空冷、水冷方式来测试高温下涂层结合力（图3）。采用不同的冷却方式，得到的结果也不同，且试验中发现其结合力与冷却速度成反比。
图3 高温测试涂层崩裂
涂层抗高温热冲击性能是衡量涂层优劣的指标。常规的机械结合，无法满足高温高压的热冲击工况，采用冶金结合复合纳米喷涂工艺可得到优良的使用效果（图4）。
图4 融合+纳米喷涂复合工艺球体和阀座
2.整机试验和工况模拟
2.1整机试验
单一的零件测试结果，不能代表整体性能，因此应进行整机测试（图5）。整机测试可对球阀的寿命、驱动链强度、阀杆的疲劳、高频及涂层的耐磨性进行测试。将装配的阀门分别进行空载启闭测试、带载启闭测试、无载荷脱脂测试、带载荷脱脂测试及高温带载脱脂测试。其中以高温带载脱脂测试最为严苛，对阀门的结构、工艺、材料要求非常高。结构合理、工艺合理的阀门可通过多次测试，反之测试几次就会失效。阀门常见的损伤形式有涂层的崩裂、拉伤、黏着，阀杆高频工作后的过度疲劳，球槽与阀杆配合面被阀杆“压溃”，阀门开关不到位等。将试验后的球阀解体，对损坏的零件进行分析研究，对其结构、工艺及选材进行改进优化，并通过反复地测试总结经验，提高阀门的整体性能。
2.2工况模拟
球阀应具有耐冲刷、防尘、防卡塞的性能，因此需尽量还原用户现场工况开展测试（图6）。阀门出厂前，应对产品进行全功能测试以掌握其性能[8]。通过测试及时发现产品问题，在出厂前进行改进优化，为用户提供质量可靠的产品。通过工况模拟试验，可针对不同工况对阀门进行选材、选型。
图6 工况模拟测试
对试验后的阀门进行对比分析（图7），结构和精度对阀门的使用寿命至关重要。试验针对不同温度设计预留不同的膨胀空间，并根据介质特点采用合适的结构以保证介质流动性。通过对不同尺寸的阀门进行寿命对比测试，发现全金属结构浮动球阀的使用寿命与尺寸大小无关。大规格阀门在保证同样寿命的同时，对不同颗粒介质的适应能力更强，缺点是扭矩偏大，导致气动阀门价格高。结构复杂的固定式球阀对颗粒介质的适应性较差，优点是扭矩低，气动阀门价格低。
图7 试验结果分析
结语：应用于恶劣工况条件下的金属密封球阀，对整个化工装置的正常运行至关重要。仅仅是进行理论计算和有限元分析来对阀门结构定型是不充分及不完善的。通过对涂层、整机的各项试验及时发现产品选材、设计等问题并进行优化、改进。同时针对球阀所处的恶劣工况，进行了工况模拟试验，在模拟实际工况的条件下对产品各项性能进行测试，以保证球阀在化工装置的恶劣工况下能够正常运行。
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