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1.概述

金屬硬密封球閥在石油、化工、冶金和城市建設中得到了廣泛的應用。通過選用不同的材質,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。通過結構上的優化設計,金屬硬密封球閥可以實現無摩擦和低扭矩啟閉。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,通過表面熱處理或堆焊硬質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,但仍然不能滿足輸送鋼灰、煤粉、硅粉和氧化鋁粉末等特定介質的要求。如果應用超音速火焰噴涂技術處理球體,能在球體表面形成碳化物金屬陶瓷涂層,該涂層與基體結合強度可達70MPa,孔隙率<2%,具有均勻致密的結構,比較完整的保持了硬質相WC的特性,硬度>1000HV,防磨耐蝕性能好,有很好的機械力學性能,可以很好改變球閥的使用性能。

2.工作原理

圖1HVO/AF超音速噴涂裝置

超音速噴涂裝置(圖1)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特定的壓力和流量輸送到噴槍,經高性能霧化噴嘴霧化混合成液霧后噴入噴槍燃燒室,液霧經火花塞點火燃燒后形成高溫高壓的燃氣,拉伐爾噴槍將其加速到超音速。送粉系統將噴涂粉末從拉伐爾噴槍嘴的低壓區送入超音速射流,經射流加溫加速后從噴槍噴出,高速噴向工件表面沉積形成涂層。由于超音速噴涂技術可以使用氧氣和壓縮空氣兩種助燃劑,同時具備HVOF和HVAF的功能,焰流的速度和溫度在大的范圍內連續可調。

3.噴涂工藝

噴涂前,工件要經過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的質量百分數Wt分別為88%和12%,燒結破碎法制造。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)。

圖2溫度-硬度曲線

通過對WC-12Co涂層和基體試樣在30?和90?的沖蝕磨損試驗對比,在30?時為基體的4.5倍,在90?時為基體的5.2倍。因其結合力強,硬度高,涂層有完整的防磨顯微結構,因而抗沖蝕磨損性能較高。試驗表明,WC-12Co涂層的沖蝕呈部分塑性沖蝕的特征。粘結相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,而硬質相WC具有抵擋沖蝕粒子的作用,二者相互補充,所以涂層具有很好的耐沖蝕磨損性能。

4.應用

在石油、化工和焦化裝置中,由于管線溫度高,介質容易在閥門內腔和密封件表面粘附或結焦,普通硬密封球閥(圖3)經常會出現因球體表面結焦而密封不嚴甚至卡塞。為此,將閥座密封面結構改為帶有鋒利刃口的刮刀形(圖4),可以在閥門啟閉過程中刮削掉球體表面的粘附物或結焦層,從而保證密封副的可靠密封。

圖4刮刀式高溫金屬硬密封球閥

在試制過程中,球體采用F304鍛件,表面氮化處理以提高硬度。閥座材質為F304,堆焊司太立硬質合金。使用發現,在常溫狀態,介質清潔的情況下,能保證可靠密封,當介質溫度升高到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,防磨性差,在刮削結焦物的同時,很容易損壞閥座密封面和球體表面,故很難滿足工況要求。通過分析,改為利用超音速噴涂技術在球體表面噴涂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硬度差。噴涂完成后,球體經金剛石磨具磨削,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制的金剛石粉末(粒度1200目),研磨密封面表面粗糙度至Ra0.2μm后裝配試驗,在常溫下密封可靠。利用特定的加熱設備,將閥門加熱至設計上限溫度540°c后,保溫8h,操作測試,閥門啟閉靈活,密封試驗正常。經過反復多次試驗后,球面無明顯變化。由于超音速噴涂的WC-12Co涂層的熱硬性和耐沖蝕磨損性能好,在使用過程中即使溫度升高到設計上限的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。當閥座的刃口刮削球體表面的結焦物時不會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結語

超音速噴涂技術應用在硬密封球閥中,大大提高了閥門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足不同工況要求的金屬涂層。根據用戶反饋信息,使用超音速噴涂技術進行噴涂處理的硬密封球閥在水、蒸汽及油品等介質中使用壽命提高了約20倍,在煤粉、硅粉管線等沖蝕惡劣的工況下平均壽命也能提高5倍以上。