簡(jiǎn)介:金屬硬密封耐磨球閥的設(shè)計(jì)、制造與工藝,,邱曉來(lái)浙江超達(dá)閥門(mén)股份有限公司,1、引言,在某些特殊工況介質(zhì)場(chǎng)合,如含有大量固體硬顆粒的介質(zhì),傳統(tǒng)的閥類,如閘閥、截止閥無(wú)法適用。對(duì)于同時(shí)存在高溫、高壓、含固體顆粒介質(zhì)的場(chǎng)合,金屬硬密封耐磨球閥是目前被普遍認(rèn)可的一種閥門(mén)。金屬硬密封耐磨球閥是近年來(lái)技術(shù)發(fā)展最快的閥類之一。隨著其技術(shù)的發(fā)展,金屬硬密封耐磨球閥的應(yīng)用的領(lǐng)域與范圍將更加廣泛。,2、金屬硬密封球閥的主要技術(shù)難點(diǎn),A、球體及閥座表面的硬化技術(shù)問(wèn)題;B、球體的圓度及加工制造工藝問(wèn)題;C、高溫工況下因?yàn)椴牧系呐蛎浂ㄋ赖膯?wèn)題;D、金屬硬密封球閥的啟閉扭矩問(wèn)題;E、固體硬顆粒介質(zhì)的沖刷和磨損的問(wèn)題;F、用于高溫工況及固體顆粒介質(zhì)的密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題;G、零部件之間連接的問(wèn)題。,3、金屬硬密封耐磨球閥的主要技術(shù)難點(diǎn)的解決措施,31、球體及閥座表面的硬化技術(shù),曾經(jīng)被應(yīng)用的技術(shù)A、表面的鍍硬鉻;B、表面硬化熱處理、滲氮處理等;C、堆焊STILLITE硬質(zhì)合金。目前上述的表面硬化技術(shù)已經(jīng)很少使用。,31、球體及閥座表面的硬化技術(shù),目前比較常用的技術(shù)A、超音速火焰噴涂技術(shù)(HVOF);B、鎳基合金熱噴涂技術(shù);C、激光熔覆技術(shù)。,超音速火焰噴涂技術(shù)(HVOF),超音速火焰噴涂(HVOF)主要是通過(guò)極高的速度將耐磨粉末涂層材料噴涂到基體材料表面,噴涂時(shí)的氣流速度在很大程度上決定了噴涂的質(zhì)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(yùn)動(dòng)速度,從而耐磨粉末涂層與基體材料就能夠獲得更高的結(jié)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。,超音速火焰噴涂技術(shù)(HVOF),超音速噴涂的優(yōu)點(diǎn)是可以噴涂超硬的涂層材料,涂層的硬度甚至可以達(dá)到HRC74以上,因此涂層具有很好的抗擦傷性能和耐磨性能。另外,超音速噴涂時(shí),基體材料不需要進(jìn)行高溫加熱,因此基體材料不會(huì)發(fā)生熱變形。由于超音速噴涂主要是通過(guò)耐磨粉末涂層與基體材料的高速撞擊而產(chǎn)生的物理結(jié)合,結(jié)合強(qiáng)度比鎳基合金的熱噴涂要低一些,通常結(jié)合力在68~76MPA左右,因此,對(duì)于高壓球閥(如CLASS1500~CLASS2500的球閥)的球體,采用超音速噴涂技術(shù)其涂層在使用中有脫落的可能。,超音速火焰噴涂技術(shù)(HVOF),對(duì)于超音速火焰噴涂(HVOF),涂層的性能主要有以下幾個(gè)方面的指標(biāo)孔隙率、氧化物含量、顯微硬度、結(jié)合強(qiáng)度、金相結(jié)構(gòu)、涂層應(yīng)力狀況、涂層加工性能、涂層的均勻性等,超音速火焰噴涂技術(shù)(HVOF),常用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(guò)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。,典型的超音速噴涂設(shè)備(HVOF),典型的超音速噴涂系統(tǒng),球體的超音速噴涂,超音速火焰噴涂技術(shù)(HVOF),考慮到超音速噴涂的結(jié)合力以及噴涂的成本,噴涂層的厚度通??刂圃?3MM左右,為了確保涂層的均勻性,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(guò)研磨以保證球體噴涂前的圓度,采用電腦控制的機(jī)械手對(duì)噴槍進(jìn)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。,鎳基合金熱噴涂技術(shù),鎳基合金熱噴涂是目前在金屬硬密封球閥上成功應(yīng)用的一種密封面硬化方法,鎳基合金耐磨、耐腐蝕、耐溫等,其綜合性能優(yōu)良,根據(jù)我們的實(shí)踐,鎳基合金適用于灰水、黑水、煤漿、煤渣等多種工況介質(zhì)。,鎳基合金熱噴涂技術(shù),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(guò)對(duì)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(dá)到冶金結(jié)合,因此,鎳基合金熱噴涂具有結(jié)合強(qiáng)度高的特點(diǎn)。與超音速火焰噴涂相比,鎳基合金熱噴涂的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是涂層的厚度較大,一般為05~10MM。,鎳基合金熱噴涂技術(shù),對(duì)于鎳基合金的熱噴涂,噴涂工藝對(duì)于基體與鎳基合金材料的結(jié)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(guò)低,基體材料與鎳基合金材料不能真正實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合,容易引起涂層材料的脫落。而溫度過(guò)高,會(huì)導(dǎo)致鎳基合金材料的熔化流失。對(duì)于大口徑球體,由于球體各部位的壁厚很不均勻,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(diǎn),為此,我們采取了中頻感應(yīng)球體加熱的專利技術(shù),取得了很好的效果。,球體的中頻感應(yīng)加熱和鎳基合金熱噴涂,激光熔覆技術(shù),采用激光熔覆技術(shù)進(jìn)行球體表面的合金噴焊也具有很好的效果,采用該技術(shù),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,而且噴焊后的球體表面光潔度較低,加工量較大。,31、球體及閥座表面的硬化技術(shù),球體及閥座表面耐磨層的硬化技術(shù)應(yīng)該根據(jù)使用工況條件、介質(zhì)硬度、制造廠的工藝條件來(lái)進(jìn)行合理的選擇和應(yīng)用。,32、球體的圓度及加工制造工藝,對(duì)于金屬硬密封耐磨球閥,密封性能直接關(guān)系到閥門(mén)的使用壽命,尤其在高壓差工況,如果閥門(mén)存在一定的泄漏量,在閥門(mén)的泄漏部位很容易被高速流動(dòng)的介質(zhì)沖刷,從而發(fā)生更大的泄漏,最終造成閥門(mén)的磨損失效。對(duì)于金屬硬密封球閥,球體的圓度直接關(guān)系到閥門(mén)的密封性能。通常,對(duì)于噴涂后的球體先采用數(shù)控球面磨床進(jìn)行研磨,然后再采用自制的研磨設(shè)備進(jìn)行球體的精密研磨,通過(guò)三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x的檢測(cè),確保球體的圓度達(dá)到002MM以內(nèi),從而使金屬硬密封球閥達(dá)到氣體密封試驗(yàn)零泄漏。,球體圓度的精密研磨設(shè)備,球體圓度的三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x,33、金屬硬密封球閥啟閉扭矩的問(wèn)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(yuǎn)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(duì)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(shè)計(jì)的角度考慮,即使相同規(guī)格的球閥,硬密封球閥的閥桿強(qiáng)度以及驅(qū)動(dòng)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(mén)的可靠運(yùn)行,不然,可能導(dǎo)致閥桿變形甚至斷裂,或者因?yàn)轵?qū)動(dòng)力矩過(guò)小而無(wú)法啟閉閥門(mén)。,33、金屬硬密封球閥啟閉扭矩的問(wèn)題,對(duì)于口徑較大壓力較高的球閥,一般采用固定球結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),對(duì)于該結(jié)構(gòu)的球閥,可以通過(guò)改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以減小作用在閥座上的介質(zhì)推力,從而有效減小球閥的啟閉扭矩,但是減少介質(zhì)作用在閥座上的推力,同時(shí)也會(huì)降低閥門(mén)的密封性能,因此,如何通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)既能保證閥門(mén)的密封性能,同時(shí)又能降低閥門(mén)的啟閉扭矩是閥門(mén)設(shè)計(jì)者需要考慮的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。,采用上下閥軸直接定位球體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),采用上下閥軸直接定位球體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),采用上下閥軸直接定位球體,該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)盡管簡(jiǎn)單,但是由于閥軸既要承受管道中的介質(zhì)推力,又要承受啟閉球閥的扭矩,因此,閥門(mén)的啟閉扭矩較大。另一方面,由于閥軸與閥體為動(dòng)配合,有一定的配合間隙,閥門(mén)關(guān)閉時(shí)介質(zhì)作用在球體上的巨大推力必然會(huì)使閥軸產(chǎn)生一定的傾斜,從而導(dǎo)致閥門(mén)啟閉時(shí)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(zhì)泄漏。,采用上下支承軸定位球體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),采用上下支承軸定位球體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),球體采用上下支承軸定位的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),上下支承軸與閥體靜配合,不會(huì)產(chǎn)生支承軸的傾斜,閥桿設(shè)置在上支承軸內(nèi)部,介質(zhì)對(duì)球體的推力由上下支撐軸承受,閥桿僅僅傳遞啟閉閥門(mén)的扭矩,因此可以大大減少閥桿的扭矩。,34、高溫工況的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),金屬硬密封球閥通常應(yīng)用于高溫工況,材料在高溫下的熱膨脹是金屬硬密封球閥設(shè)計(jì)必須考慮的問(wèn)題。高溫金屬硬密封球閥的閥座與閥體之間的密封通常采用柔性石墨,柔性石墨等材料在高溫下會(huì)產(chǎn)生體積膨脹,如果結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)沒(méi)有考慮材料在高溫下的膨脹補(bǔ)償,閥門(mén)在高溫下必然會(huì)因?yàn)椴牧系呐蛎浂豢ㄋ蓝荒軇?dòng)作。為了解決該問(wèn)題,通常在閥座背后設(shè)置彈簧,通過(guò)彈簧來(lái)調(diào)整和補(bǔ)償高溫下材料的膨脹問(wèn)題。彈簧可以有多種結(jié)構(gòu)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(duì)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。,35、固體介質(zhì)的粘結(jié)問(wèn)題,金屬硬密封球閥通常應(yīng)用于固體液體混合的介質(zhì),某些固體液體混合介質(zhì)特別容易粘結(jié)在球體等零件的表面,導(dǎo)致閥門(mén)無(wú)法啟閉。對(duì)于這樣的工況介質(zhì),通常在閥座密封面的兩側(cè)設(shè)置刮刀結(jié)構(gòu)(專利結(jié)構(gòu)),這樣在閥門(mén)的啟閉過(guò)程中,閥座兩側(cè)的刮刀可以自動(dòng)的刮除球體表面粘結(jié)的雜質(zhì),從而確保閥門(mén)能夠自如的啟閉,并同時(shí)具有良好的密封性能。,35、固體介質(zhì)的粘結(jié)問(wèn)題,對(duì)用于易粘結(jié)的固體液體混合介質(zhì),盡管采用刮刀可以刮除球體表面的粘結(jié)物,但是球閥的啟閉扭矩必然會(huì)有較大的增加,因此,在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該考慮到這種不利的影響因素,在閥軸的強(qiáng)度設(shè)計(jì)、材料的選用,尤其是球體與閥軸的連接強(qiáng)度以及閥軸與驅(qū)動(dòng)裝置的連接強(qiáng)度應(yīng)該有足夠的余量,而且,在驅(qū)動(dòng)裝置的配置時(shí)同樣應(yīng)該考慮有更大的驅(qū)動(dòng)力,以保證在極端的工況條件下閥門(mén)的正常啟閉。,35、固體介質(zhì)的粘結(jié)問(wèn)題,固體介質(zhì)的粘結(jié)還可能引起閥座彈簧的失效,嚴(yán)重的會(huì)導(dǎo)致閥門(mén)卡死而無(wú)法啟閉,為了防止彈簧被介質(zhì)粘結(jié)而失效,通常在彈簧腔設(shè)置柔性石墨密封圈,以阻擋固體介質(zhì)進(jìn)入彈簧腔體。,36、硬固體顆粒介質(zhì)的磨損和沖刷問(wèn)題,球閥全開(kāi)時(shí)的通道相當(dāng)于一個(gè)直管段,流體阻力最小,而且閥座和球體沒(méi)有暴露在流動(dòng)的介質(zhì)中,因此,處在全開(kāi)狀態(tài)下的球閥基本沒(méi)有磨損和沖刷的問(wèn)題。而對(duì)于關(guān)閉狀態(tài)下的球閥,如果閥門(mén)完全密封,則管道中的介質(zhì)沒(méi)有流動(dòng),因此,閥門(mén)也不會(huì)被磨損和沖刷。,36、硬固體顆粒介質(zhì)的磨損和沖刷問(wèn)題,對(duì)于含有硬固體顆粒的高壓介質(zhì),當(dāng)閥門(mén)密封不良時(shí)是最容易被磨損和沖刷的,在一些極端的工況條件下,閥門(mén)的泄漏甚至?xí)谝弧蓚€(gè)小時(shí)就導(dǎo)致閥體因?yàn)槟p而穿孔。對(duì)于密封性能良好的球閥,在閥門(mén)剛剛開(kāi)啟的瞬間是最容易被磨損的。此時(shí),在閥座與球體最先脫開(kāi)的部位,由于此處壓差很大,流速很高,因此很容易被磨損,36、硬固體顆粒介質(zhì)的磨損和沖刷問(wèn)題,通過(guò)以下措施來(lái)減緩閥門(mén)的磨損A、提高閥門(mén)的啟閉速度可以有效地減少閥門(mén)的磨損,尤其對(duì)于開(kāi)關(guān)頻繁的閥門(mén)。B、在開(kāi)啟球閥之前通過(guò)旁通對(duì)球閥前后的壓力進(jìn)行平衡,一旦球閥上下游的壓差減小了,介質(zhì)對(duì)閥門(mén)的磨損也會(huì)同時(shí)減小。C、設(shè)計(jì)時(shí)適當(dāng)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(guò)程中出現(xiàn)了磨損,也不會(huì)影響閥門(mén)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(qiáng)球閥的抗磨損能力。,37、部件之間的連接問(wèn)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(xì)節(jié)的忽視也可能引起閥門(mén)的失效。比如支架與閥體的連接、支架與驅(qū)動(dòng)裝置的連接、球體的上支撐接盤(pán)與閥體的連接,對(duì)于普通的軟密封球閥,由于扭矩較小,采用螺栓螺母就可以解決連接問(wèn)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(cuò)位移動(dòng),其結(jié)果會(huì)導(dǎo)致閥門(mén)無(wú)法關(guān)閉到位,從而引起閥門(mén)的泄漏,進(jìn)而引起閥門(mén)的磨損而破壞。因此,對(duì)于高參數(shù)金屬硬密封耐磨球閥來(lái)說(shuō),采用銷(xiāo)釘或其它方法進(jìn)行連接部件之間的精確連接和定位是非常重要的。,4、結(jié)語(yǔ),高參數(shù)金屬硬密封耐磨球閥的設(shè)計(jì)與制造需要考慮多方面的因素,用戶實(shí)際的工況條件千差萬(wàn)別,作為設(shè)計(jì)者應(yīng)該詳細(xì)的了解工況條件,并且認(rèn)真的分析各種工況條件對(duì)于閥門(mén)可能產(chǎn)生的不利影響。針對(duì)各種影響因素提出一個(gè)綜合考慮的設(shè)計(jì)方案。閥門(mén)的失效通常是因?yàn)槟硞€(gè)薄弱環(huán)節(jié)所引起的,在很多情況下細(xì)節(jié)決定設(shè)計(jì)的成敗。,4、結(jié)語(yǔ),通過(guò)采取了上述的關(guān)鍵技術(shù)解決方案,所研制開(kāi)發(fā)的高參數(shù)金屬硬密封耐磨球閥在各種高壓、高溫、硬固體顆粒的工況介質(zhì)下得到了非常廣泛的應(yīng)用,如煤化工的黑水、灰水、煤漿工況、煤氣化裝置的鎖渣排渣工況、煤制油的高溫高壓苛刻工況、多晶硅的耐磨工況以及電廠的排渣工況,大量的工業(yè)應(yīng)用證明,在金屬硬密封耐磨球閥的設(shè)計(jì)、制造及工藝中充分考慮了本文所述的關(guān)鍵技術(shù),就能夠制造出性能優(yōu)良的產(chǎn)品,并證明本產(chǎn)品的研制開(kāi)發(fā)是成功的。,
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