目前,金屬密封球閥以其特有的優勢,廣泛應用于煤化工、多晶硅、煉油、海上平臺和傳統電站疏水系統及發電廠等,在要求嚴密關斷、高溫及高壓差、開關迅速、介質含固體顆粒的工況下,金屬硬密封球閥是首選的閥門種類。但金屬硬密封球閥普遍存在使用壽命低、內泄漏、操作發生卡澀(或抱死)等問題,面對越來越高的磨損要求、強沖蝕等工況,耐磨球閥需要在硬面處理、結構設計、零部件選材及加工等方面進行優化設計。
1 耐磨球閥的結構
耐磨球閥的結構設計一般有兩種:球體浮動式和球體固定式。不管是哪種結構,在惡劣磨損工況的使用介質中,均面臨防止彈性閥座處彈簧腔物料(兩相流或三相流)堆積而使閥門不能正常工作,產生閥門扭矩異常增大或“卡死”現象。針對這種工況,廠家開發了自清潔耐磨球閥(浮動式)和阻尼沉淀結構耐磨球閥(固定式),較好地解決了這一問題。
自清潔耐磨球閥的技術特點:上游浮動閥座設計為帶吹掃功能的自清潔通道結構,閥門在開、關過程中,依靠介質自身的壓力,可對堆積在彈簧和閥腔內的物料進行吹掃,以防止固體顆粒在彈簧腔處堆積而可能出現的“抱死”現象,影響閥門的正常操作;密封閥座為可更換結構;閥桿處增加兩個自潤滑軸承彈墊,減少閥門操作扭矩。
阻尼沉淀結構耐磨球閥技術特點:彈性閥座采用“疏導”結構設計,阻尼沉淀槽前置設計,確保閥門在使用過程中可有效地將物料沉積在彈簧腔前面,不影響閥座的正常退讓。
2 耐磨球閥密封性能
1)應具有一定硬度,使其耐磨耐沖蝕。
2)應具有一定結合強度,以防止硬化層脫落和產生裂紋。
3)應保證足夠的加工精度,以保證低的密封泄漏率。
就硬密封球閥密封面而言,獲得理想的硬化涂層組織是第一步。
3 密封面硬化
對金屬密封的耐磨球閥表面硬化處理的方法有:表面鍍層技術(Cr、Ni-P)、堆(噴)焊技術、等離子氮化技術、熱噴涂金屬陶瓷等。前三種密封面處理方法一般用于軟密封球芯硬化和干凈介質,如油品、天然氣、低溫蒸汽、水等工況,但用于苛刻工況,如兩相流或三相流(氣、固、液)的石油化工行業的特殊介質,事實證明其使用壽命非常短。特別是在煤化工、多晶硅等行業,選擇耐磨耐蝕的密封面硬化技術非常關鍵。
近幾年國內外通過熱噴涂技術獲得的金屬陶瓷涂層獲得了成功的推廣應用,在眾多噴涂材料中以碳化鎢(WC)為基體的涂層,在耐磨損、耐沖蝕和抗干滑動方面的性能表現最為突出。常使用WC為基體的涂層有:WC12/Co、WC17/Co、WC20/Co、WC86/Co10Cr4、WC17/Ni、WC50/NiCrBSi等。表1為最常用的WC基金屬陶瓷,采用超音速火焰噴涂技術(HVOF)制備的兩種典型涂層技術參數。
4 涂層工藝
表2為幾種噴涂工藝的對比。
表1 兩種典型涂層技術參數
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注:限制應用溫度在此溫度以內,涂層性能最佳。
表2 噴涂工藝對比
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由于超音速火焰噴涂技術不僅粒子在沉積過程中飛行速度快,而且噴涂的溫度也低,這樣就保證了碳化鎢(WC)的分解和氧化物含量的控制,使涂層組織更致密,影響涂層性能的有害相或組織更少,涂層更耐磨耐沖蝕。
在確定耐磨球閥密封面硬化工藝的同時,應在大量的試驗基礎上,通過優化改進噴涂工藝參數,解決導致涂層易產生裂紋的主要問題,即涂層的殘存應力應控制在壓應力狀態。同時為降低密封面的摩擦系數,從而降低閥門的操作扭矩,不僅要嚴格控制噴涂粉末的粒度,而且需在涂料中加入一定配比的耐高溫潤滑劑,以便較好地制備各方面性能優異的耐磨耐蝕涂層。
5 設計和生產應注意的問題
多相流工況條件下應用的耐磨球閥不僅要求其耐磨耐沖蝕,而且還要充分考慮操作的可靠性。從硬化層的制備、合理的結構設計、模擬工況的計算、閥門零部件的加工精度、到閥門的檢驗驗收,每個環節的要求都不同于常規的產品。在設計和生產中,應注意以下問題:
1)設計的結構應防物料在彈簧腔處堆積和防止物料粘結關閉件(刮掃功能)。在多相流介質工況下,閥腔盡量設計為流線型。
2)多相流工況下特別是粘性的油渣介質,介質流動阻力對閥門操作扭矩的影響。
3)合理應用涂層與基體材料在高溫下膨脹系數的不同。
4)因金屬陶瓷涂層的多孔性,介質中存在腐蝕性物質(如硫、硫化氫等)對涂層密封面產生的腐蝕裂紋,應采用封孔技術。
5)對重要零部件材料進行質量監控(化學成分、機械性能、熱處理等)。
6 結語
用于惡劣工況耐磨球閥的可靠性和使用壽命取決于密封面硬化工藝和球體的加工精度,以及閥門的結構設計。金屬硬密封球閥的設計、制造、檢測目前國內已經形成了完備的質量保障體系,耐磨球閥的加工、試驗手段也已達到國際領先水平。