上海申弘閥門有限公司
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1、石油化工系統(tǒng)金屬硬密封球閥概述
之前介紹JIS日標(biāo)不銹鋼截止閥標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)在介紹在火力發(fā)電廠、石油化工系統(tǒng)、煤化工領(lǐng)域的高粘性流體、帶粉塵及固體顆粒狀的混合流體、強(qiáng)腐蝕的流體等介質(zhì)中，球閥需要選用金屬硬密封球閥，所以選用合適的金屬硬密封球閥閥球和閥座的硬化工藝十分重要。
2、石油化工系統(tǒng)金屬硬密封球閥金屬硬密封球閥閥球和閥座的硬化方式
目前金屬硬密封球閥球體表面常用的硬化工藝主要有以下幾種：在流程工業(yè)生產(chǎn)過程中，高溫下的密封性能是評判管道閥門性能的一個重要標(biāo)準(zhǔn)。金屬密封球閥常常是滿足高密封性能的型解決方案。它的應(yīng)用范圍相當(dāng)廣泛，而且在這些應(yīng)用領(lǐng)域中都能夠滿足不同的流程工藝條件。
在化工、石油化工和火力發(fā)電生產(chǎn)領(lǐng)域中，管道閥門除了很高的工作溫度以外，所承受的壓力等級對閥門的使用有著決定性的意義。特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計對于閥門所能承受的壓力等級有著非常重要的作用。例如，Trunnion結(jié)構(gòu)（固定式球閥）或者帶有隔熱層的特殊結(jié)構(gòu)。
依靠金屬材料相互接觸、密封的管道閥門的關(guān)鍵是球形閥芯與密封系統(tǒng)的相互配合以及密封系統(tǒng)本身。具有金屬密封座的密封系統(tǒng)，例如鈷鉻鎢合金密封座的密封系統(tǒng)不僅具有很高的耐腐蝕性能，而且具有很長的使用壽命和很高的耐磨性。對于依靠金屬密封面進(jìn)行密封的管道閥門來說，對其密封系統(tǒng)zui重要的要求就是不能有泄漏。至少其密封性能不低于普通的球閥。利用金屬密封面進(jìn)行密封的球閥大多數(shù)情況下都是因?yàn)槟p而失效或者報廢。因此用戶在使用、選擇金屬密封面密封的球閥時對耐磨性能非常重視。
而磨損又可以分為幾種不同的類型。例如：粘附性磨損、剝蝕性磨損和表面銹蝕磨損等。
石油化工系統(tǒng)金屬硬密封球閥粘附性和剝蝕性磨損
粘附性磨損是球形閥芯和金屬密封座圈化學(xué)和機(jī)械的直接接觸反應(yīng)造成的磨損：在球形閥芯和金屬密封圈都利用了合適的加工工藝技術(shù)，經(jīng)過偶件配磨工藝處理之后，球形閥芯和金屬密封圈之間能夠?qū)崿F(xiàn)的密封。經(jīng)過這種配研之后，就能夠在金屬材料的管道閥門實(shí)現(xiàn)很高的密封性。但是，加工制造再的密封系統(tǒng)的運(yùn)動副也會在一定時間之后出現(xiàn)一定的磨損。
剝蝕性磨損是球形閥芯和密封座之間可見的機(jī)械剝離。這種剝離是由于產(chǎn)品和介質(zhì)之間的磨蝕和/或者球形閥芯與密封座圈之間表面粗糙而相互磨蝕的結(jié)果。當(dāng)被輸送介質(zhì)中含有固體物質(zhì)時，在高壓下或者以很高的速度通過管道閥門時，這種剝蝕會更加劇烈。火力發(fā)電廠的煤炭輸送，或者輸送海水淡化設(shè)備的含鈣污泥過程對管道閥門的抗剝蝕性能都提出了很高的要求。
表面銹蝕
表面銹蝕是一種可見的表面損傷形式，被輸送介質(zhì)中的化學(xué)成分與所有閥門金屬表面產(chǎn)生電-化學(xué)反應(yīng)。一般情況下，表面銹蝕可以分為大面積的整體銹蝕或者局部銹蝕。對于依靠金屬表面進(jìn)行密封的管道閥門來講，局部表面銹蝕的危害zui大，因?yàn)榫植夸P蝕可能會“銹出一個洞”。對于本身腐蝕性并不強(qiáng)，濃度較低的液體介質(zhì)也不可忽視。只要當(dāng)產(chǎn)品的溫度低于露點(diǎn)時，這類介質(zhì)的相對優(yōu)點(diǎn)可能會變成缺點(diǎn)：腐蝕性元素的濃度會很快地增加，在金屬表面形成銹蝕的斑點(diǎn)。在生產(chǎn)實(shí)踐中的例子很多，例如：燃燒過程中的尾氣，火力發(fā)電廠中的廢氣清洗設(shè)備、化工生產(chǎn)領(lǐng)域中液體硫、磷的合成等。
對設(shè)計提出的要求
除了需要滿足抗剝蝕性的標(biāo)準(zhǔn)和要求之外，閥孔的自動卸荷和球形密封補(bǔ)償也越來越重要，成為長期、可靠工作的核心問題。自動卸荷指的是球形閥芯后封閉空間內(nèi)過高的壓力經(jīng)密封系統(tǒng)卸荷。此時，彈性結(jié)構(gòu)設(shè)計具有非常重要的意義。
閥門生產(chǎn)廠商JDV公司與其合作伙伴Zürcher公司在閥門領(lǐng)域中有著豐富的經(jīng)驗(yàn)。30多年來，JDV公司在閥門產(chǎn)品的研發(fā)中投入了大量的資金。在過去幾年里開發(fā)了一整套閥內(nèi)零部件高耐磨性涂層的加工技術(shù)。這種技術(shù)被命名為HVOF熱噴涂技術(shù)，滿足了特殊加工的要求，并且在不斷的發(fā)展完善。這是一種把等離子技術(shù)和爆震技術(shù)結(jié)合在一起，利用鈷-鉻化合物進(jìn)行表面處理的技術(shù)。根據(jù)使用要求可以制成zui高硬度為HRC 70的零部件表面。
（1）球體表面堆焊（或噴焊）硬質(zhì)合金，硬度可達(dá)40HRC以上，球體表面堆焊硬質(zhì)合金工藝復(fù)雜，生產(chǎn)效率低，且大面積堆焊易使零件產(chǎn)生變形，目前對球體表面硬化的工藝使用較少。
（2）球體表面鍍硬鉻，硬度可達(dá)60～65HRC，厚度0.07～0.10mm，鍍鉻層硬度高、耐磨、耐蝕并能長期保持表面光亮，工藝相對簡單，成本較低。但硬鉻鍍層的硬度在溫度升高時會因其內(nèi)應(yīng)力的釋放而迅速降低，其工作溫度不能高于427℃。另外鍍鉻層結(jié)合力低，鍍層易發(fā)生脫落。
（3）球體表面采用等離子氮化，表面硬度可達(dá)60～65HRC，氮化層厚度0.20～0.40mm，等離子氮化處理硬化工藝由于耐腐蝕性較差，不能在化工強(qiáng)腐蝕等領(lǐng)域使用。
（4）球體表面超音速噴涂（HVOF）工藝，硬度zui高可達(dá)70～75HRC，集合強(qiáng)度高，厚度0.3～0.4mm，超音速噴涂是球體表面硬化主要工藝手段。在火力發(fā)電廠、石油化工系統(tǒng)、煤化工領(lǐng)域的高粘性流體；帶粉塵及固體顆粒狀的混合流體、強(qiáng)腐蝕的流體介質(zhì)中大部分使用該硬化工藝。
超音速噴涂工藝是氧燃料燃燒產(chǎn)生高速氣流加速粉末粒子撞擊工件表面，形成致密表面涂層的一種工藝方法。在撞擊過程中，由于粒子的速度較快（500～750m/s）且粒子溫度較低（-3000℃），因此撞擊工件表面后，可以獲得高結(jié)合強(qiáng)度、低空隙率、低氧化物含量的涂層。HVOF的特點(diǎn)是合金粉末粒子速度超過音速，甚至是音速的2～3倍，氣流速度是音速的4倍。
HVOF是一種新的加工工藝，噴涂厚度0.3～0.4mm，涂層與工件之間是機(jī)械結(jié)合，結(jié)合強(qiáng)度高（77MPa），涂層孔隙率低（＜1%）。該工藝對工件加熱溫度低（＜93℃），工件不變形，可進(jìn)行冷噴涂。噴涂時，粉末粒子速度高（1370m/s），無熱影響區(qū)，工件的成分和組織無變化，涂層硬度高，可進(jìn)行機(jī)加工。
噴焊是一種金屬材料表面熱噴涂處理工藝。它是通過熱源將粉末（金屬粉末、合金粉末、陶瓷粉末均可）加熱到熔融或達(dá)到高塑性狀態(tài)后，依靠氣流將其噴射，沉積到預(yù)先處理過的工件表面上，形成一層與工件表面（基材）結(jié)合牢固的涂（焊）層。
噴焊和堆焊硬化工藝中硬質(zhì)合金與基體均具有熔融過程，硬質(zhì)合金與基體集合處有熱融區(qū)，為*達(dá)到噴焊或堆焊硬質(zhì)合金層性能，避免加工后焊接熱融區(qū)為金屬接觸面，建議噴焊或堆焊硬質(zhì)合金厚度需要大于3mm以上。
3、硬密封球閥閥球和閥座接觸面的硬度配合
金屬滑動接觸面需具有一定的硬度差，否則容易發(fā)生咬死現(xiàn)象。在實(shí)際運(yùn)用中，一般閥球 和閥座的硬度差在5～10HRC，該硬度差使球閥能具有較好使用壽命。由于球體加工復(fù)雜，加工成本高，為保護(hù)球體不易受到損壞和磨損，一般選擇球體的硬度高于閥座表面的硬度。
閥球和閥座接觸表面硬度配合使用比較廣泛的有兩種硬度配合：①閥球表面硬度55HRC，閥座表面45HRC，閥球表面可采用超音速噴涂Slite20合金，閥座表面可采用堆焊Slite12合金，該硬度配合是金屬密封球閥使用zui廣范的硬度配合，能滿足金屬硬密封球閥常規(guī)磨損要求；②閥球表面硬度68HRC，閥座表面58HRC，閥球表面可采用超音速噴涂碳化鎢，閥座表面可采用超音速噴涂Slite20合金，該硬度配合廣泛使用與煤化工領(lǐng)域，具有較高的耐磨性和使用壽命。
在國外有使用閥球和閥座表面硬度相同的配合，閥球和閥座表面均采用超音速噴涂碳化鎢工藝，表面硬度均大于72HRC，即使在超高硬度情況下，閥球和閥座接觸表面也不易發(fā)生咬死，但目前國內(nèi)閥球制作表面硬度大于72HRC的閥球、閥座沒有成熟的研磨工藝，很難保證閥球和閥座的配合，使用較少。
4、硬密封球閥閥球和閥座硬化注意問題
上海申弘閥門有限公司主營閥門有：截止閥,電動截止閥金屬硬密封球閥閥球和閥座材料一般都選擇不銹鋼或耐腐蝕材料，否則硬質(zhì)合金與閥座（或閥球）結(jié)合層容易被介質(zhì)腐蝕，發(fā)生硬質(zhì)合金層脫落，影響球閥壽命。
另外針對不同的閥座（或閥球）材料應(yīng)選擇合適的硬化工藝，在煤化工領(lǐng)域中雙相不銹鋼材料被廣泛使用，雙相不銹鋼材料具有良好的耐腐蝕疲勞和磨損腐蝕性能。
雙相不銹鋼材料是一種既具有鐵素體又具有奧氏體組織結(jié)構(gòu)的鋼種，鐵素體和奧氏體組織結(jié)構(gòu)各占約50%，且二相組織是獨(dú)立存在的，其性能特點(diǎn)是兼有奧氏體不銹鋼和鐵素體不銹鋼的特性。在鐵素體不銹鋼特性中，當(dāng)溫度在400～500℃范圍內(nèi)，長時間保溫會產(chǎn)生強(qiáng)烈的脆化，這種現(xiàn)象一般稱為475℃脆化；溫度超過400～500℃時，雙相不銹鋼性能會被破壞。
雙相不銹鋼材料若采用噴焊或堆焊硬質(zhì)合金工藝方法，該工藝硬質(zhì)合金和基體發(fā)生融溶過程（溫度一般均大于900℃），會破壞雙相不銹鋼材料的金相組織，故雙相不銹鋼材料不適合用噴焊（或堆焊）硬質(zhì)合金的硬化工藝。雙相不銹鋼材料表面硬化工藝適合使用超音速噴涂工藝，硬化工藝必須保證不能對雙相不銹鋼材料基體金相組織產(chǎn)生破壞。
5、結(jié)語
金屬硬密封球閥的閥球和閥座采用合理的硬化工藝，可提高直接決定金屬硬密封閥門的使用壽命和使用性能，合理的硬化工藝能降低制造成本。隨著新技術(shù)的不斷出現(xiàn)，必定會有更多的硬化處理工藝，金屬硬密封閥門的硬化工藝和硬度配合是個非常復(fù)雜的問題，因此在對硬密封閥門設(shè)計、材料選擇、硬化工藝和硬度配合，應(yīng)給予充分的重視。與本文相關(guān)的產(chǎn)品有不銹鋼波紋管密封安全閥
