金屬硬密封耐磨球閥的設(shè)計(jì)、制造與工藝

1、金屬硬密封耐磨球閥的設(shè)計(jì)、制造與工藝,,邱曉來 浙江超達(dá)閥門股份有限公司,1、引言,在某些特殊工況介質(zhì)場合，如含有大量固體硬顆粒的介質(zhì)，傳統(tǒng)的閥類，如閘閥、截止閥無法適用。對于同時(shí)存在高溫、高壓、含固體顆粒介質(zhì)的場合，金屬硬密封耐磨球閥是目前被普遍認(rèn)可的一種閥門。金屬硬密封耐磨球閥是近年來技術(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

2、表面的硬化技術(shù)問題；B、球體的圓度及加工制造工藝問題；C、高溫工況下因?yàn)椴牧系呐蛎浂ㄋ赖膯栴}；D、金屬硬密封球閥的啟閉扭矩問題；E、固體硬顆粒介質(zhì)的沖刷和磨損的問題；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)問題；G、零部件之間連接的問題。,3、金屬硬密封耐磨球閥的主要技術(shù)難點(diǎn)的解決措施,3.1、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

3、質(zhì)合金。目前 上述的表面硬化技術(shù)已經(jīng)很少使用。,3.1、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

4、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

5、～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(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。

6、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，通常可以采用碳化鉻及陶瓷等噴涂材料。,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)械手對噴槍進(jìn)行控制能夠確保涂

7、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

8、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(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0.5～1.0mm。,鎳基合金熱噴涂技術(shù),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(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，

9、容易引起涂層材料的脫落。而溫度過高，會(huì)導(dǎo)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

10、且噴焊后的球體表面光潔度較低，加工量較大。,3.1、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進(jìn)行合理的選擇和應(yīng)用。,3.2、球體的圓度及加工制造工藝,對于金屬硬密封耐磨球閥，密封性能直接關(guān)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(dòng)的介質(zhì)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

11、關(guān)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(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，通過三坐標(biāo)測量儀的檢測，確保球體的圓度達(dá)到0.02mm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)測量儀,3.3、金屬硬密封球閥啟閉扭矩的問題,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(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

12、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(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)力矩過小而無法啟閉閥門。,3.3、金屬硬密封球閥啟閉扭矩的問題,對于口徑較大壓力較高的球閥，一般采用固定球結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對于該結(jié)構(gòu)的球閥，可以通過改進(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

13、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)降低閥門的密封性能，因此，如何通過優(yōu)化設(shè)計(jì)既能保證閥門的密封性能，同時(shí)又能降低閥門的啟閉扭矩是閥門設(shè)計(jì)者需要考慮的一個(gè)關(guān)鍵問題。,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

14、隙，閥門關(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)對球體的推力由上下支撐軸承受，閥桿僅僅傳遞啟閉閥門的扭矩，因此可以大大減少閥桿的扭矩。,3.4、高溫工況的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

15、,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)沒有考慮材料在高溫下的膨脹補(bǔ)償，閥門在高溫下必然會(huì)因?yàn)椴牧系呐蛎浂豢ㄋ蓝荒軇?dòng)作。為了解決該問題，通常在閥座背后設(shè)置彈簧，通過彈簧來調(diào)整和補(bǔ)償高溫下材料的膨脹問題。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

16、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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。,3.5、固體介質(zhì)的粘結(jié)問題,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)致閥門無法啟閉。對于這樣的工況介質(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)），這樣在閥門的啟閉過程中，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)，從而確保閥門能夠自如的

17、啟閉，并同時(shí)具有良好的密封性能。,3.5、固體介質(zhì)的粘結(jié)問題,對用于易粘結(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的正常啟閉。,3.5、固體介質(zhì)的粘結(jié)問題,固

18、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)致閥門卡死而無法啟閉，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。,3.6、硬固體顆粒介質(zhì)的磨損和沖刷問題,球閥全開時(shí)的通道相當(dāng)于一個(gè)直管段，流體阻力最小，而且閥座和球體沒有暴露在流動(dòng)的介質(zhì)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(guān)閉狀態(tài)下的球閥，如果閥門完全密封，則管道中的介質(zhì)沒有流動(dòng)，因此，閥門也不會(huì)被磨損和沖刷。,3

19、.6、硬固體顆粒介質(zhì)的磨損和沖刷問題,對于含有硬固體顆粒的高壓介質(zhì)，當(dāng)閥門密封不良時(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(shí)，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,3.6、硬固體顆粒介質(zhì)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

20、門的磨損，尤其對于開關(guān)頻繁的閥門。B、在開啟球閥之前通過旁通對球閥前后的壓力進(jìn)行平衡，一旦球閥上下游的壓差減小了，介質(zhì)對閥門的磨損也會(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，即使球閥在使用過程中出現(xiàn)了磨損，也不會(huì)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(qiáng)球閥的抗磨損能力。,3.7、部件之間的連接問題,由于高參數(shù)金屬硬密封耐磨球閥的工

21、況條件苛刻，一些細(xì)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(qū)動(dòng)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(cuò)位移動(dòng)，其結(jié)果會(huì)導(dǎo)致閥門無法關(guān)閉到位，從而引起閥門的泄漏，進(jìn)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(jìn)行連

22、接部件之間的精確連接和定位是非常重要的。,4、結(jié)語,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于閥門可能產(chǎn)生的不利影響。針對各種影響因素提出一個(gè)綜合考慮的設(shè)計(jì)方案。閥門的失效通常是因?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,通過采取了上述的關(guān)鍵技術(shù)解決方案，所研制開發(fā)的高參數(shù)金屬硬密封耐磨球閥在各種高壓、高