1.概述

金屬硬密封球閥在石油、化工、冶金和城市建設(shè)中得到了廣泛的應(yīng)用。通過(guò)選用不同的材質(zhì),金屬硬密封球閥可以適用于水、蒸汽、油品、硝酸、醋酸和尿素等多種介質(zhì)。通過(guò)結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化設(shè)計(jì),金屬硬密封球閥可以實(shí)現(xiàn)無(wú)摩擦和低扭矩啟閉。在使用中,金屬硬密封球閥的主要失效形式是沖蝕磨損。雖然,通過(guò)表面熱處理或堆焊硬質(zhì)合金等方法能提高金屬硬密封球閥的使用壽命和耐擦傷性能,但仍然不能滿(mǎn)足輸送鋼灰、煤粉、硅粉和氧化鋁粉末等特殊介質(zhì)的要求。如果應(yīng)用超音速火焰噴涂技術(shù)處理球體,能在球體表面形成碳化物金屬陶瓷涂層,該涂層與基體結(jié)合強(qiáng)度可達(dá)70MPa,孔隙率<2%,具有均勻致密的結(jié)構(gòu),比較完整的保持了硬質(zhì)相WC的特性,硬度>1000HV,耐磨耐蝕性能好,有很好的機(jī)械力學(xué)性能,可以顯著改善球閥的使用性能。

2.工作原理

圖1HVO/AF超音速?lài)娡垦b置

超音速?lài)娡垦b置利用煤油為燃料,利用氧氣和壓縮空氣為助燃劑,控制裝置將煤油和助燃劑以一定的壓力和流量輸送到噴槍,經(jīng)高性能霧化噴嘴霧化混合成液霧后噴入噴槍燃燒室,液霧經(jīng)火花塞點(diǎn)火燃燒后形成高溫高壓的燃?xì)?拉伐爾噴槍將其加速到超音速。送粉系統(tǒng)將噴涂粉末從拉伐爾噴槍嘴的低壓區(qū)送入超音速射流,經(jīng)射流加溫加速后從噴槍噴出,高速?lài)娤蚬ぜ砻娉练e形成涂層。由于多功能超音速?lài)娡考夹g(shù)可以使用氧氣和壓縮空氣兩種助燃劑,同時(shí)具備HVOF和HVAF的功能,焰流的速度和溫度在大的范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。

3.噴涂工藝

噴涂前,工件必須經(jīng)過(guò)表面清潔處理和噴砂粗化處理,一般噴涂材料為WC-12Co,WC與Co的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)Wt分別為88%和12%,燒結(jié)破碎法制造。碳化鎢在常溫下硬度較高,特別是熱硬度很好,至1000°C其硬度下降也很少。

圖2溫度-硬度曲線(xiàn)

通過(guò)對(duì)WC-12Co涂層和基體試樣在30?和90?的沖蝕磨損試驗(yàn)對(duì)比,在30?時(shí)為基體的4.5倍,在90?時(shí)為基體的5.2倍。因其結(jié)合力強(qiáng),硬度高,涂層有完整的耐磨顯微結(jié)構(gòu),因而抗沖蝕磨損性能較高。試驗(yàn)表明,WC-12Co涂層的沖蝕呈部分塑性沖蝕的特征。粘結(jié)相Co由于自身的塑性變形,可以吸收部分塑性沖蝕粒子的能量,而硬質(zhì)相WC具有抵擋沖蝕粒子的作用,二者相互補(bǔ)充,所以涂層具有很好的耐沖蝕磨損性能。

4.應(yīng)用

在石油、化工和焦化裝置中,由于管線(xiàn)溫度高,介質(zhì)容易在閥門(mén)內(nèi)腔和密封件表面粘附或結(jié)焦,普通硬密封球閥經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)因球體表面結(jié)焦而密封不嚴(yán)甚至卡塞。為此,將閥座密封面結(jié)構(gòu)改為帶有鋒利刃口的刮刀形,可以在閥門(mén)啟閉過(guò)程中刮削掉球體表面的粘附物或結(jié)焦層,從而保證密封副的可靠密封。

刮刀式高溫金屬硬密封球閥在試制過(guò)程中,球體采用F304鍛件,表面氮化處理以提高硬度。閥座材質(zhì)為F304,堆焊司太立硬質(zhì)合金。使用發(fā)現(xiàn),在常溫狀態(tài),介質(zhì)清潔的情況下,能保證可靠密封,當(dāng)介質(zhì)溫度升高到400!以上,由于司太立合金的熱硬性不高,球體為表面氮化處理,耐磨性差,在刮削結(jié)焦物的同時(shí),很容易損壞閥座密封面和球體表面,故很難滿(mǎn)足工況要求。通過(guò)分析,改為利用超音速?lài)娡考夹g(shù)在球體表面噴涂WC-12Co,形成厚約0.3mm的耐沖蝕磨損涂層,硬度60~62HRC。閥座密封面基體仍加工成刮刀形,在其表面也噴涂上0.3mm厚度的涂層。通過(guò)改變噴涂工藝,使其涂層硬度為55~58HRC,使閥座密封面硬度與球體表面形成一定的硬度差。噴涂完成后,球體經(jīng)金剛石磨具磨削,至表面粗糙度Ra0.8μm后,將閥座密封面與球體手工配研。配研材料采用加油酸調(diào)制的天然金剛石粉末(粒度1200目),研磨密封面表面粗糙度至Ra0.2μm后裝配試驗(yàn),在常溫下密封可靠。利用特制的加熱設(shè)備,將閥門(mén)加熱至設(shè)計(jì)上限溫度540°c后,保溫8h,操作測(cè)試,閥門(mén)啟閉靈活,密封試驗(yàn)正常。經(jīng)過(guò)反復(fù)多次試驗(yàn)后,球面無(wú)明顯變化。由于超音速?lài)娡康腤C-12Co涂層的熱硬性和耐沖蝕磨損性能好,在使用過(guò)程中即使溫度升高到設(shè)計(jì)上限的540°c以上,仍能保持很好的耐沖蝕和耐擦傷性能,而且,刮刀表面硬度與球面之間具有約5HRC的硬度差。當(dāng)閥座的刃口刮削球體表面的結(jié)焦物時(shí)不會(huì)損壞球體表面和閥座密封面,能保證密封性能和使用壽命。

5結(jié)語(yǔ)

超音速?lài)娡考夹g(shù)應(yīng)用在硬密封球閥中,大大提高了閥門(mén)的適用范圍和使用壽命。如選用司太立合金粉末等其他材料可以制造出滿(mǎn)足不同工況要求的金屬涂層。根據(jù)用戶(hù)反饋信息,使用超音速?lài)娡考夹g(shù)進(jìn)行噴涂處理的硬密封球閥在水、蒸汽及油品等介質(zhì)中使用壽命提高了約20倍,在煤粉、硅粉管線(xiàn)等沖蝕惡劣的工況下平均壽命也能提高5倍以上。