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)。通過結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化設(shè)計,金屬硬密封球閥可以實現(xiàn)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(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超音速噴涂裝置

超音速噴涂裝置利用煤油為燃料,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,高速噴向工件表面沉積形成涂層。由于多功能超音速噴涂技術(shù)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(nèi)連續(xù)可調(diào)。

3.噴涂工藝

噴涂前,工件必須經(jīng)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(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

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(jié)合力強,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,由于管線溫度高,介質(zhì)容易在閥門內(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,可以在閥門啟閉過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,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(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,在常溫下密封可靠。利用特制的加熱設(shè)備,將閥門加熱至設(shè)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(jīng)過反復(fù)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(shè)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(dāng)閥座的刃口刮削球體表面的結(jié)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(jié)語

超音速噴涂技術(shù)應(yīng)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(jù)用戶反饋信息,使用超音速噴涂技術(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、硅粉管線等沖蝕惡劣的工況下平均壽命也能提高5倍以上。