金屬硬密封耐磨球閥的設計、制造與工藝-2

金屬(jīnshǔ)硬密封耐磨球閥的設計、制造與工藝邱曉來浙江(zhèjiānɡ)超達閥門股份有限公司共四十頁1、引言(yǐnyán)在某些特殊工況介質場合，如含有(hányǒu)大量固體硬顆粒的介質，傳統(tǒng)的閥類，如閘閥、截止閥無法適用。對于同時存在高溫、高壓、含固體顆粒介質的場合，金屬硬密封耐磨球閥是目前被普遍認可的一種閥門。金屬硬密封耐磨球閥是近年來技術發(fā)展最快的閥類之一。隨著其技術的發(fā)展，金屬硬密封耐磨球閥的應用的領域與范圍將更加廣泛。共四十頁2、金屬硬密封球閥的主要技術(jìshù)難點

A、球體及閥座表面的硬化技術問題；B、球體的圓度及加工制造工藝問題；C、高溫工況下因為材料的膨脹而卡死的問題；D、金屬硬密封球閥的啟閉扭矩問題；E、固體(gùtǐ)硬顆粒介質的沖刷和磨損的問題；F、用于高溫工況及固體顆粒介質的密封結構設計問題；G、零部件之間連接的問題。共四十頁3、金屬硬密封耐磨球閥的主要技術難點的解決(jiějué)措施

共四十頁3.1、球體(qiútǐ)及閥座表面的硬化技術曾經(jīng)被應用的技術：A、表面(biǎomiàn)的鍍硬鉻；B、表面硬化熱處理、滲氮處理等；C、堆焊Stillite硬質合金。目前上述的表面硬化技術已經(jīng)很少使用。共四十頁3.1、球體(qiútǐ)及閥座表面的硬化技術目前比較常用的技術：A、超音速火焰(huǒyàn)噴涂技術（HVOF）；B、鎳基合金熱噴涂技術；C、激光熔覆技術。共四十頁超音速火焰(huǒyàn)噴涂技術（HVOF）超音速火焰噴涂（HVOF）主要是通過極高的速度將耐磨粉末(fěnmò)涂層材料噴涂到基體材料表面，噴涂時的氣流速度在很大程度上決定了噴涂的質量，噴槍能夠產(chǎn)生更高的氣流速度，則耐磨粉末涂層就能夠獲得更高的運動速度，從而耐磨粉末涂層與基體材料就能夠獲得更高的結合力和更高的致密性，因此也就具有更好的耐磨性能和耐腐蝕性能。共四十頁超音速火焰(huǒyàn)噴涂技術（HVOF）超音速噴涂的優(yōu)點是可以噴涂超硬的涂層材料，涂層的硬度甚至可以達到HRC74以上，因此涂層具有很好的抗擦傷性能(xìngnéng)和耐磨性能(xìngnéng)。另外，超音速噴涂時，基體材料不需要進行高溫加熱，因此基體材料不會發(fā)生熱變形。由于超音速噴涂主要是通過耐磨粉末涂層與基體材料的高速撞擊而產(chǎn)生的物理結合，結合強度比鎳基合金的熱噴涂要低一些，通常結合力在68～76MPa左右，因此，對于高壓球閥（如CLASS1500～CLASS2500的球閥）的球體，采用超音速噴涂技術其涂層在使用中有脫落的可能。共四十頁超音速火焰(huǒyàn)噴涂技術（HVOF）對于超音速火焰噴涂（HVOF），涂層(túcénɡ)的性能主要有以下幾個方面的指標：孔隙率、氧化物含量、顯微硬度、結合強度、金相結構、涂層(túcénɡ)應力狀況、涂層(túcénɡ)加工性能、涂層(túcénɡ)的均勻性等共四十頁超音速火焰(huǒyàn)噴涂技術（HVOF）常用(chánɡyònɡ)的超音速噴涂材料有：碳化鎢鈷、碳化鎢鈷鉻、鎳基合金、碳化鉻、陶瓷等。碳化鎢鈷及碳化鎢鈷鉻的使用溫度一般不超過540℃，要適用于更高的溫度，通?？梢圆捎锰蓟t及陶瓷等噴涂材料。共四十頁典型(diǎnxíng)的超音速噴涂設備（HVOF）共四十頁典型(diǎnxíng)的超音速噴涂系統(tǒng)共四十頁球體(qiútǐ)的超音速噴涂共四十頁超音速火焰(huǒyàn)噴涂技術（HVOF）考慮到超音速噴涂的結合力以及噴涂的成本，噴涂層的厚度通常控制在0.3mm左右，為了確保(quèbǎo)涂層的均勻性，球體噴涂前的圓度以及噴涂的均勻性非常重要，一般需要通過研磨以保證球體噴涂前的圓度，采用電腦控制的機械手對噴槍進行控制能夠確保涂層的均勻性，而采用人工控制噴槍的方法則很難保證涂層的均勻性。共四十頁鎳基合金熱噴涂技術(jìshù)鎳基合金熱噴涂是目前在金屬硬密封球閥上成功應用的一種密封面硬化方法，鎳基合金耐磨(naimó)、耐腐蝕、耐溫等，其綜合性能優(yōu)良，根據(jù)我們的實踐，鎳基合金適用于灰水、黑水、煤漿、煤渣等多種工況介質。共四十頁鎳基合金熱噴涂技術(jìshù)鎳基合金是一種自溶合金，主要成分包括鎳、鉻、硼、硅，其中鎳是主要成分，也是耐磨材料與基體材料的粘合劑，根據(jù)配比成分的不同，可以獲得不同的硬度，金屬硬密封球閥一般采用HRC55～64的硬度。通過對基體材料及鎳基合金材料的高溫加熱，能夠使基體與密封面耐磨材料達到冶金結合，因此，鎳基合金熱噴涂具有結合強度(qiángdù)高的特點。與超音速火焰噴涂相比，鎳基合金熱噴涂的另一個優(yōu)點是涂層的厚度較大，一般為0.5～1.0mm。共四十頁鎳基合金熱噴涂技術(jìshù)對于鎳基合金的熱噴涂，噴涂工藝對于基體與鎳基合金材料的結合力有很大的影響，球體及鎳基合金材料加熱溫度的控制非常重要，溫度過低，基體材料與鎳基合金材料不能真正實現(xiàn)冶金結合，容易引起涂層材料的脫落。而溫度過高，會導致鎳基合金材料的熔化流失。對于大口徑球體，由于球體各部位(bùwèi)的壁厚很不均勻，因此，要精確均勻的控制球體的加熱溫度難度很大，這是鎳基合金熱噴涂的主要難點，為此，我們采取了中頻感應球體加熱的專利技術，取得了很好的效果。共四十頁球體的中頻(zhōngpín)感應加熱和鎳基合金熱噴涂共四十頁激光(jīguāng)熔覆技術采用激光熔覆技術進行球體表面的合金噴焊也具有很好的效果，采用該技術，球體的熱影響區(qū)很小，噴焊層的硬度比鎳基熱噴涂更高，但是噴焊效率較低，而且(érqiě)噴焊后的球體表面光潔度較低，加工量較大。共四十頁3.1、球體(qiútǐ)及閥座表面的硬化技術球體及閥座表面耐磨層的硬化技術應該根據(jù)(gēnjù)使用工況條件、介質硬度、制造廠的工藝條件來進行合理的選擇和應用。共四十頁3.2、球體的圓度及加工(jiāgōng)制造工藝

對于金屬硬密封耐磨球閥，密封性能直接關系到閥門的使用壽命，尤其在高壓差工況，如果閥門存在一定的泄漏量，在閥門的泄漏部位很容易被高速流動的介質沖刷，從而發(fā)生更大的泄漏，最終造成閥門的磨損失效。對于金屬硬密封球閥，球體的圓度直接關系到閥門的密封性能。通常，對于噴涂后的球體先采用數(shù)控球面磨床進行研磨，然后再采用自制的研磨設備進行球體的精密(jīngmì)研磨，通過三坐標測量儀的檢測，確保球體的圓度達到0.02mm以內(nèi)，從而使金屬硬密封球閥達到氣體密封試驗零泄漏。共四十頁球體(qiútǐ)圓度的精密研磨設備共四十頁球體(qiútǐ)圓度的三坐標測量儀共四十頁3.3、金屬硬密封球閥啟閉(qǐbì)扭矩的問題

金屬硬密封球閥由于密封面是金屬與金屬的直接接觸，其摩擦力要遠大于金屬與非金屬之間的摩擦力，因此與相同規(guī)格的軟密封球閥相比，其啟閉扭矩要大很多，對于相同規(guī)格的球閥，前者的扭矩通常是后者的3～4倍。因此，從設計的角度考慮，即使(jíshǐ)相同規(guī)格的球閥，硬密封球閥的閥桿強度以及驅動裝置的配置均要比軟密封球閥大很多，只有這樣才能保證閥門的可靠運行，不然，可能導致閥桿變形甚至斷裂，或者因為驅動力矩過小而無法啟閉閥門。共四十頁3.3、金屬硬密封球閥啟閉(qǐbì)扭矩的問題對于口徑較大壓力較高的球閥，一般采用固定球結構設計，對于該結構的球閥，可以(kěyǐ)通過改進結構設計以減小作用在閥座上的介質推力，從而有效減小球閥的啟閉扭矩，但是減少介質作用在閥座上的推力，同時也會降低閥門的密封性能，因此，如何通過優(yōu)化設計既能保證閥門的密封性能，同時又能降低閥門的啟閉扭矩是閥門設計者需要考慮的一個關鍵問題。共四十頁采用上下(shàngxià)閥軸直接定位球體的結構設計共四十頁采用(cǎiyòng)上下閥軸直接定位球體的結構設計采用上下閥軸直接定位球體，該結構設計盡管簡單，但是由于閥軸既要承受管道中的介質推力，又要承受啟閉球閥的扭矩，因此，閥門的啟閉扭矩較大。另一方面，由于閥軸與閥體為動配合，有一定(yīdìng)的配合間隙，閥門關閉時介質作用在球體上的巨大推力必然會使閥軸產(chǎn)生一定的傾斜，從而導致閥門啟閉時扭矩的增大，另一方面，閥軸的傾斜還容易引起閥軸部位的介質泄漏。共四十頁采用上下(shàngxià)支承軸定位球體的結構設計共四十頁采用(cǎiyòng)上下支承軸定位球體的結構設計球體采用上下支承軸定位的結構設計，上下支承軸與閥體靜配合，不會產(chǎn)生支承軸的傾斜，閥桿設置在上支承軸內(nèi)部，介質對球體的推力由上下支撐軸承受，閥桿僅僅傳遞啟閉(qǐbì)閥門的扭矩，因此可以大大減少閥桿的扭矩。共四十頁3.4、高溫(gāowēn)工況的結構設計

金屬硬密封(mìfēng)球閥通常應用于高溫工況，材料在高溫下的熱膨脹是金屬硬密封(mìfēng)球閥設計必須考慮的問題。高溫金屬硬密封(mìfēng)球閥的閥座與閥體之間的密封(mìfēng)通常采用柔性石墨，柔性石墨等材料在高溫下會產(chǎn)生體積膨脹，如果結構設計沒有考慮材料在高溫下的膨脹補償，閥門在高溫下必然會因為材料的膨脹而被卡死而不能動作。為了解決該問題，通常在閥座背后設置彈簧，通過彈簧來調整和補償高溫下材料的膨脹問題。彈簧可以有多種結構形式，如圓柱螺旋彈簧、蝶形彈簧、板簧及波型彈簧等。為了保證彈簧在高溫下的性能，彈簧一般采用Inconel材料制造。對于蝶形彈簧和板簧，為了改善彈簧的性能，可以采用多片薄型彈簧的組合結構設計。共四十頁3.5、固體介質(jièzhì)的粘結問題

金屬硬密封球閥通常應用于固體液體混合的介質，某些固體液體混合介質特別容易粘結在球體等零件的表面，導致閥門無法啟閉。對于這樣的工況介質，通常在閥座密封面的兩側設置刮刀結構（專利結構），這樣在閥門的啟閉過程中，閥座兩側的刮刀可以自動的刮除球體表面粘結的雜質，從而確保(quèbǎo)閥門能夠自如的啟閉，并同時具有良好的密封性能。共四十頁3.5、固體介質的粘結(zhānjié)問題對用于易粘結的固體液體混合介質(jièzhì)，盡管采用刮刀可以刮除球體表面的粘結物，但是球閥的啟閉扭矩必然會有較大的增加，因此，在設計時應該考慮到這種不利的影響因素，在閥軸的強度設計、材料的選用，尤其是球體與閥軸的連接強度以及閥軸與驅動裝置的連接強度應該有足夠的余量，而且，在驅動裝置的配置時同樣應該考慮有更大的驅動力，以保證在極端的工況條件下閥門的正常啟閉。共四十頁3.5、固體介質(jièzhì)的粘結問題固體介質的粘結還可能引起閥座彈簧的失效(shīxiào)，嚴重的會導致閥門卡死而無法啟閉，為了防止彈簧被介質粘結而失效(shīxiào)，通常在彈簧腔設置柔性石墨密封圈，以阻擋固體介質進入彈簧腔體。共四十頁3.6、硬固體顆粒(kēlì)介質的磨損和沖刷問題

球閥全開時的通道相當于一個直管段，流體阻力最小，而且閥座和球體沒有暴露在流動的介質(jièzhì)中，因此，處在全開狀態(tài)下的球閥基本沒有磨損和沖刷的問題。而對于關閉狀態(tài)下的球閥，如果閥門完全密封，則管道中的介質(jièzhì)沒有流動，因此，閥門也不會被磨損和沖刷。共四十頁3.6、硬固體顆粒(kēlì)介質的磨損和沖刷問題對于含有硬固體顆粒的高壓介質，當閥門密封不良時是最容易被磨損和沖刷的，在一些極端(jíduān)的工況條件下，閥門的泄漏甚至會在一、兩個小時就導致閥體因為磨損而穿孔。對于密封性能良好的球閥，在閥門剛剛開啟的瞬間是最容易被磨損的。此時，在閥座與球體最先脫開的部位，由于此處壓差很大，流速很高，因此很容易被磨損共四十頁3.6、硬固體(gùtǐ)顆粒介質的磨損和沖刷問題通過以下措施來減緩閥門的磨損：A、提高閥門的啟閉速度可以有效地減少閥門的磨損，尤其對于開關頻繁的閥門。B、在開啟球閥之前通過旁通(pánɡtōnɡ)對球閥前后的壓力進行平衡，一旦球閥上下游的壓差減小了，介質對閥門的磨損也會同時減小。C、設計時適當考慮增大球體的直徑，使球體的密封部位不容易被磨損，即使球閥在使用過程中出現(xiàn)了磨損，也不會影響閥門的密封性能。D、在球體和閥座容易被磨損的部位噴焊耐磨材料。E、在球閥的通道部位增加耐磨襯套，以增強球閥的抗磨損能力。共四十頁3.7、部件之間的連接(liánjiē)問題

由于高參數(shù)金屬硬密封耐磨球閥的工況條件苛刻，一些細節(jié)的忽視也可能引起閥門的失效。比如支架與閥體的連接、支架與驅動裝置的連接、球體的上支撐接盤與閥體的連接，對于普通的軟密封球閥，由于扭矩較小，采用螺栓螺母就可以(kěyǐ)解決連接問題，但是由于高參數(shù)金屬硬密封耐磨球閥的扭矩很大，而螺栓螺母的連接存在較大的間隙，很容易引起連接部件之間的錯位移動，其結果會導致閥門無法關閉到位，從而引起閥門的泄漏，進而引起閥門的磨損而破壞。因此，對于高參數(shù)金屬硬密封耐磨球閥來說，采用銷釘或其它方法進行連接部件之間的精確連接和