1、金属硬密封耐磨球阀的设计、制造与工艺邱晓来 浙江超达阀门股份有限公司1、引言在某些特殊工况介质场合，如含有大量固体硬颗粒的介质，传统的阀类，如闸阀、截止阀无法适用。对于同时存在高温、高压、含固体颗粒介质的场合，金属硬密封耐磨球阀是目前被普遍认可的一种阀门。金属硬密封耐磨球阀是近年来技术发展最快的阀类之一。随着其技术的发展，金属硬密封耐磨球阀的应用的领域与范围将更加广泛。2、金属硬密封球阀的主要技术难点A、球体及阀座表面的硬化技术问题；B、球体的圆度及加工制造工艺问题；C、高温工况下因为材料的膨胀而卡死的问题；D、金属硬密封球阀的启闭扭矩问题；E、固体硬颗粒介质的冲刷和磨损的问题；F、用于高温工
2、况及固体颗粒介质的密封结构设计问题；G、零部件之间连接的问题。3、金属硬密封耐磨球阀的主要技术难点的解决措施3.1、球体及阀座表面的硬化技术曾经被应用的技术：A、表面的镀硬铬；B、表面硬化热处理、渗氮处理等；C、堆焊Stillite硬质合金。目前 上述的表面硬化技术已经很少使用。3.1、球体及阀座表面的硬化技术目前比较常用的技术：A、超音速火焰喷涂技术（HVOF）；B、镍基合金热喷涂技术；C、激光熔覆技术。超音速火焰喷涂技术（HVOF）超音速火焰喷涂（HVOF）主要是通过极高的速度将耐磨粉末涂层材料喷涂到基体材料表面，喷涂时的气流速度在很大程度上决定了喷涂的质量，喷枪能够产生更高的气流速度，则
3、耐磨粉末涂层就能够获得更高的运动速度，从而耐磨粉末涂层与基体材料就能够获得更高的结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蚀性能。超音速火焰喷涂技术（HVOF）超音速喷涂的优点是可以喷涂超硬的涂层材料，涂层的硬度甚至可以达到HRC74以上，因此涂层具有很好的抗擦伤性能和耐磨性能。另外，超音速喷涂时，基体材料不需要进行高温加热，因此基体材料不会发生热变形。由于超音速喷涂主要是通过耐磨粉末涂层与基体材料的高速撞击而产生的物理结合，结合强度比镍基合金的热喷涂要低一些，通常结合力在6876MPa左右，因此，对于高压球阀（如CLASS1500CLASS2500的球阀）的球体，采用超音速喷涂技
4、术其涂层在使用中有脱落的可能。超音速火焰喷涂技术（HVOF）对于超音速火焰喷涂（HVOF），涂层的性能主要有以下几个方面的指标：孔隙率、氧化物含量、显微硬度、结合强度、金相结构、涂层应力状况、涂层加工性能、涂层的均匀性等超音速火焰喷涂技术（HVOF）常用的超音速喷涂材料有：碳化钨钴、碳化钨钴铬、镍基合金、碳化铬、陶瓷等。碳化钨钴及碳化钨钴铬的使用温度一般不超过540，要适用于更高的温度，通常可以采用碳化铬及陶瓷等喷涂材料。典型的超音速喷涂设备（HVOF）典型的超音速喷涂系统球体的超音速喷涂超音速火焰喷涂技术（HVOF）考虑到超音速喷涂的结合力以及喷涂的成本，喷涂层的厚度通常控制在0.3mm左右
5、，为了确保涂层的均匀性，球体喷涂前的圆度以及喷涂的均匀性非常重要，一般需要通过研磨以保证球体喷涂前的圆度，采用电脑控制的机械手对喷枪进行控制能够确保涂层的均匀性，而采用人工控制喷枪的方法则很难保证涂层的均匀性。镍基合金热喷涂技术镍基合金热喷涂是目前在金属硬密封球阀上成功应用的一种密封面硬化方法，镍基合金耐磨、耐腐蚀、耐温等，其综合性能优良，根据我们的实践，镍基合金适用于灰水、黑水、煤浆、煤渣等多种工况介质。镍基合金热喷涂技术镍基合金是一种自溶合金，主要成分包括镍、铬、硼、硅，其中镍是主要成分，也是耐磨材料与基体材料的粘合剂，根据配比成分的不同，可以获得不同的硬度，金属硬密封球阀一般采用HRC5
6、564的硬度。通过对基体材料及镍基合金材料的高温加热，能够使基体与密封面耐磨材料达到冶金结合，因此，镍基合金热喷涂具有结合强度高的特点。与超音速火焰喷涂相比，镍基合金热喷涂的另一个优点是涂层的厚度较大，一般为0.51.0mm。镍基合金热喷涂技术对于镍基合金的热喷涂，喷涂工艺对于基体与镍基合金材料的结合力有很大的影响，球体及镍基合金材料加热温度的控制非常重要，温度过低，基体材料与镍基合金材料不能真正实现冶金结合，容易引起涂层材料的脱落。而温度过高，会导致镍基合金材料的熔化流失。对于大口径球体，由于球体各部位的壁厚很不均匀，因此，要精确均匀的控制球体的加热温度难度很大，这是镍基合金热喷涂的主要难点
7、，为此，我们采取了中频感应球体加热的专利技术，取得了很好的效果。球体的中频感应加热和镍基合金热喷涂激光熔覆技术采用激光熔覆技术进行球体表面的合金喷焊也具有很好的效果，采用该技术，球体的热影响区很小，喷焊层的硬度比镍基热喷涂更高，但是喷焊效率较低，而且喷焊后的球体表面光洁度较低，加工量较大。3.1、球体及阀座表面的硬化技术球体及阀座表面耐磨层的硬化技术应该根据使用工况条件、介质硬度、制造厂的工艺条件来进行合理的选择和应用。3.2、球体的圆度及加工制造工艺对于金属硬密封耐磨球阀，密封性能直接关系到阀门的使用寿命，尤其在高压差工况，如果阀门存在一定的泄漏量，在阀门的泄漏部位很容易被高速流动的介质冲刷
8、，从而发生更大的泄漏，最终造成阀门的磨损失效。对于金属硬密封球阀，球体的圆度直接关系到阀门的密封性能。通常，对于喷涂后的球体先采用数控球面磨床进行研磨，然后再采用自制的研磨设备进行球体的精密研磨，通过三坐标测量仪的检测，确保球体的圆度达到0.02mm以内，从而使金属硬密封球阀达到气体密封试验零泄漏。球体圆度的精密研磨设备球体圆度的三坐标测量仪3.3、金属硬密封球阀启闭扭矩的问题金属硬密封球阀由于密封面是金属与金属的直接接触，其摩擦力要远大于金属与非金属之间的摩擦力，因此与相同规格的软密封球阀相比，其启闭扭矩要大很多，对于相同规格的球阀，前者的扭矩通常是后者的34倍。因此，从设计的角度考虑，即使
9、相同规格的球阀，硬密封球阀的阀杆强度以及驱动装置的配置均要比软密封球阀大很多，只有这样才能保证阀门的可靠运行，不然，可能导致阀杆变形甚至断裂，或者因为驱动力矩过小而无法启闭阀门。3.3、金属硬密封球阀启闭扭矩的问题对于口径较大压力较高的球阀，一般采用固定球结构设计，对于该结构的球阀，可以通过改进结构设计以减小作用在阀座上的介质推力，从而有效减小球阀的启闭扭矩，但是减少介质作用在阀座上的推力，同时也会降低阀门的密封性能，因此，如何通过优化设计既能保证阀门的密封性能，同时又能降低阀门的启闭扭矩是阀门设计者需要考虑的一个关键问题。采用上下阀轴直接定位球体的结构设计采用上下阀轴直接定位球体的结构设计采
10、用上下阀轴直接定位球体，该结构设计尽管简单，但是由于阀轴既要承受管道中的介质推力，又要承受启闭球阀的扭矩，因此，阀门的启闭扭矩较大。另一方面，由于阀轴与阀体为动配合，有一定的配合间隙，阀门关闭时介质作用在球体上的巨大推力必然会使阀轴产生一定的倾斜，从而导致阀门启闭时扭矩的增大，另一方面，阀轴的倾斜还容易引起阀轴部位的介质泄漏。采用上下支承轴定位球体的结构设计采用上下支承轴定位球体的结构设计球体采用上下支承轴定位的结构设计，上下支承轴与阀体静配合，不会产生支承轴的倾斜，阀杆设置在上支承轴内部，介质对球体的推力由上下支撑轴承受，阀杆仅仅传递启闭阀门的扭矩，因此可以大大减少阀杆的扭矩。3.4、高温工
11、况的结构设计金属硬密封球阀通常应用于高温工况，材料在高温下的热膨胀是金属硬密封球阀设计必须考虑的问题。高温金属硬密封球阀的阀座与阀体之间的密封通常采用柔性石墨，柔性石墨等材料在高温下会产生体积膨胀，如果结构设计没有考虑材料在高温下的膨胀补偿，阀门在高温下必然会因为材料的膨胀而被卡死而不能动作。为了解决该问题，通常在阀座背后设置弹簧，通过弹簧来调整和补偿高温下材料的膨胀问题。弹簧可以有多种结构形式，如圆柱螺旋弹簧、蝶形弹簧、板簧及波型弹簧等。为了保证弹簧在高温下的性能，弹簧一般采用Inconel材料制造。对于蝶形弹簧和板簧，为了改善弹簧的性能，可以采用多片薄型弹簧的组合结构设计。3.5、固体介质
12、的粘结问题金属硬密封球阀通常应用于固体液体混合的介质，某些固体液体混合介质特别容易粘结在球体等零件的表面，导致阀门无法启闭。对于这样的工况介质，通常在阀座密封面的两侧设置刮刀结构（专利结构），这样在阀门的启闭过程中，阀座两侧的刮刀可以自动的刮除球体表面粘结的杂质，从而确保阀门能够自如的启闭，并同时具有良好的密封性能。3.5、固体介质的粘结问题对用于易粘结的固体液体混合介质，尽管采用刮刀可以刮除球体表面的粘结物，但是球阀的启闭扭矩必然会有较大的增加，因此，在设计时应该考虑到这种不利的影响因素，在阀轴的强度设计、材料的选用，尤其是球体与阀轴的连接强度以及阀轴与驱动装置的连接强度应该有足够的余量，而
13、且，在驱动装置的配置时同样应该考虑有更大的驱动力，以保证在极端的工况条件下阀门的正常启闭。3.5、固体介质的粘结问题固体介质的粘结还可能引起阀座弹簧的失效，严重的会导致阀门卡死而无法启闭，为了防止弹簧被介质粘结而失效，通常在弹簧腔设置柔性石墨密封圈，以阻挡固体介质进入弹簧腔体。3.6、硬固体颗粒介质的磨损和冲刷问题球阀全开时的通道相当于一个直管段，流体阻力最小，而且阀座和球体没有暴露在流动的介质中，因此，处在全开状态下的球阀基本没有磨损和冲刷的问题。而对于关闭状态下的球阀，如果阀门完全密封，则管道中的介质没有流动，因此，阀门也不会被磨损和冲刷。3.6、硬固体颗粒介质的磨损和冲刷问题对于含有硬固
14、体颗粒的高压介质，当阀门密封不良时是最容易被磨损和冲刷的，在一些极端的工况条件下，阀门的泄漏甚至会在一、两个小时就导致阀体因为磨损而穿孔。对于密封性能良好的球阀，在阀门刚刚开启的瞬间是最容易被磨损的。此时，在阀座与球体最先脱开的部位，由于此处压差很大，流速很高，因此很容易被磨损3.6、硬固体颗粒介质的磨损和冲刷问题通过以下措施来减缓阀门的磨损：A、提高阀门的启闭速度可以有效地减少阀门的磨损，尤其对于开关频繁的阀门。B、在开启球阀之前通过旁通对球阀前后的压力进行平衡，一旦球阀上下游的压差减小了，介质对阀门的磨损也会同时减小。C、设计时适当考虑增大球体的直径，使球体的密封部位不容易被磨损，即使球阀
15、在使用过程中出现了磨损，也不会影响阀门的密封性能。D、在球体和阀座容易被磨损的部位喷焊耐磨材料。E、在球阀的通道部位增加耐磨衬套，以增强球阀的抗磨损能力。3.7、部件之间的连接问题由于高参数金属硬密封耐磨球阀的工况条件苛刻，一些细节的忽视也可能引起阀门的失效。比如支架与阀体的连接、支架与驱动装置的连接、球体的上支撑接盘与阀体的连接，对于普通的软密封球阀，由于扭矩较小，采用螺栓螺母就可以解决连接问题，但是由于高参数金属硬密封耐磨球阀的扭矩很大，而螺栓螺母的连接存在较大的间隙，很容易引起连接部件之间的错位移动，其结果会导致阀门无法关闭到位，从而引起阀门的泄漏，进而引起阀门的磨损而破坏。因此，对于高
16、参数金属硬密封耐磨球阀来说，采用销钉或其它方法进行连接部件之间的精确连接和定位是非常重要的。4、结语高参数金属硬密封耐磨球阀的设计与制造需要考虑多方面的因素，用户实际的工况条件千差万别，作为设计者应该详细的了解工况条件，并且认真的分析各种工况条件对于阀门可能产生的不利影响。针对各种影响因素提出一个综合考虑的设计方案。阀门的失效通常是因为某个薄弱环节所引起的，在很多情况下细节决定设计的成败。4、结语通过采取了上述的关键技术解决方案，所研制开发的高参数金属硬密封耐磨球阀在各种高压、高温、硬固体颗粒的工况介质下得到了非常广泛的应用，如煤化工的黑水、灰水、煤浆工况、煤气化装置的锁渣排渣工况、煤制油的高温高压苛刻工况、多晶硅的耐磨工况以及电厂的排渣工况，大量的工业应用证明，在金属硬密封耐磨球阀的设计、制造及工艺中充分考虑了本文所述的关键技术，就能够制造出性能优良的产品，并证明本产品的研制开发是成功的。
