硬化技术在工业用阀门上的应用

引言

在工业生产上, 阀门应用量巨大, 在石油、煤化工、电厂、带粉尘或固体颗粒状的混合流体、高流速等介质中, 金属阀门冲刷腐蚀比较厉害, 为保证阀门使用寿命及生产安全, 需要对阀门进行硬化处理。本文主要讨论了几种阀门常用的硬化技术在阀门上的应用。

一、阀门硬化的原则

阀门硬化的基本原则根据阀门形式的不同而不尽相同, 但最主要的一条是成本, 在保证正常使用的情况下, 选择最低成本的硬化工艺及硬化材料, 在这里介绍金属单座控制阀、硬密封球阀两种通用阀门的硬化原则。

金属单座控制阀:阀芯与阀座的硬化材料及厚度一般是相同的, 所以两者硬度等方面参数是一样的, 并且阀门生产厂家在出售阀内件时, 大多都是按一整套即阀芯、阀座、阀杆出售的, 所以两者在更换时一般是同时更换的。

硬密封球阀:球芯的硬化硬度要稍高于阀座的硬化硬度, 一般球芯比阀座高5~10个洛氏硬度, 目的是两者接触密封时, 一是避免两者材质一样长时间接触不动作造成咬合 (因为两者接触面积比较大) , 二是从损坏的角度讲, 要保护阀球而放弃阀座, 因为阀座更换成本比阀球低的多。

另外需要注意的一点是, 当阀芯阀座的硬化材料不同时, 需要结合工艺介质进行分析, 防止出现电化学腐蚀现象。

二、阀门常用的硬化技术及特点

阀门常用的硬化技术有堆焊、镀硬铬、渗氮及喷涂等。

1.堆焊硬质合金, 硬度可达30HRC以上, 阀内件表面堆焊硬质合金工艺复杂, 生产效率低, 且大面积堆焊易使零件产生变形和裂纹, 目前对球阀表面硬化的工艺使用较少, 对金属单座阀等阀门堆焊较为常见。

2.镀硬铬, 硬度可达40~55HRC, 厚度0.07~0.10mm, 镀铬层硬度高、耐磨、耐蚀并能长期保持表面光亮, 工艺相对简单, 成本较低。但硬铬镀层的硬度在温度升高时会因其内应力的释放而迅速降低, 其工作温度不能高于427℃。另外镀铬层结合力低, 镀层易发生脱落。镀硬铬工艺一般用在耐磨阀门上, 例如金属球阀, 在其他阀门上应用较少。但是随着硬化技术的发展进步, 镀硬铬正逐渐被喷涂工艺取代。

3. (等) 离子氮化, 表面硬度可达HV800~1200, 氮化层厚度0.05~0.10mm, (等) 离子氮化处理硬化工艺由于耐腐蚀性较差, 不能在化工强腐蚀等领域使用。

4.超音速火焰喷涂 (HVOF) 工艺, 硬度最高可达60~70HRC, 集合强度高, 厚度0.3~0.4mm, 超音速喷涂是球阀等表面需硬化面积较大的主要工艺手段。在火力发电厂、石油化工系统、煤化工领域的高粘性流体;带粉尘及固体颗粒状的混合流体、强腐蚀的流体介质中大部分使用该硬化工艺。超音速喷涂工艺是氧燃料燃烧产生高速气流加速粉末粒子撞击工件表面, 形成致密表面涂层的一种工艺方法。在撞击过程中, 由于粒子的速度较快 (500~750m/s) 且粒子温度较低 (3000℃) , 因此撞击工件表面后, 可以获得高结合强度、低空隙率、低氧化物含量的涂层。

超音速喷涂的特点是合金粉末粒子速度超过音速, 甚至是音速的2~3倍, 气流速度是音速的4倍。HVOF是一种新的加工工艺, 喷涂厚度0.3~0.4mm, 涂层与工件之间是机械结合, 结合强度高 (77MPa) , 涂层孔隙率低 (小于1%) 。该工艺对工件加热温度低 (低于93℃) , 工件不变形, 可进行冷喷涂。喷涂时, 粉末粒子焰流速度高 (1370m/s) , 无热影响区, 工件的成分和组织无变化, 涂层硬度高, 可进行机加工。现在超音速喷涂工艺正在被广泛应用。

5.喷焊是一种金属材料表面热喷涂处理工艺。它是通过热源将粉末 (金属粉末、合金粉末、陶瓷粉末均可) 加热到熔融或达到高塑性状态后, 依靠气流将其喷射, 沉积到预先处理过的工件表面上, 形成一层与工件表面 (基材) 结合牢固的涂 (焊) 层。喷焊和堆焊硬化工艺中硬质合金与基体均具有熔融过程, 硬质合金与基体集合处有热融区, 为完全达到喷焊或堆焊硬质合金层性能, 避免加工后焊接热融区为金属接触面, 建议喷焊或堆焊硬质合金厚度需要大于3mm以上。

我公司现在所接触阀门及我所了解的其它几个行业大多为堆焊和超音速喷涂 (HVOF) 工艺, 两种工艺成本低, 操作相对简单, 能够满足大多数工况的需求。

三、硬化材料的介绍及选择条件

硬化材料根据硬化工艺的不同而不同, 能够进行材料选择的工艺有堆焊工艺、超音速喷涂 (HVOF) 工艺、喷焊工艺, 镀硬铬与等离子氮化工艺方法固定, 所选材料或者媒介也是固定的。堆焊工艺一般是选择司太立合金 (一般是司太立6、司太立12、司太立20等) 或哈氏C合金, 超音速喷涂 (HVOF) 工艺主要选择硬质合金、碳化钨、铬基合金、镍基合金、陶瓷等, 喷焊工艺所选材料为镍基合金、钴基合金等。

选择阀门密封面硬化材料, 首先应满足阀门的使用要求, 寿命长、密封性能好, 应根据阀门密封面的主要失效形式, 注意材料的综合性能、工艺性、加工性和经济性选用合金材料;二是根据使用温度、压力和介质选择密封面材料;三是根据材料的工艺适用性选择密封面材料, 其中材料的抗裂性是极重要的指标;四是根据硬化材料的加工性选择密封面材料, 因此对阀门密封面的粗糙度、吻合度及硬度, 提出了严格要求, 由于合金材料是高硬度的材料, 难于加工, 规定密封面硬度一般不应过高。

四、超音速喷涂 (HVOF) 工艺的拓展应用

前面介绍过我公司阀门硬化主要是应用的堆焊和超音速喷涂 (HVOF) 工艺, 阀门硬化一般是指阀芯、阀座两者密封面的硬化, 而有时阀门受冲刷和冲蚀的地方却在阀体上, 阀内件受到损坏后可以更换, 但是当阀体损坏后, 往往是需要更换一台新阀, 有时甚至会引起停车影响整个生产进度。

我公司在某反应釜出口主管线上有这样一台阀门, 由于介质成分 (反应液、颗粒状催化剂) 、流量较大、位置等原因, 必须选择偏心旋转阀, 按照工况需求, 该阀门阀体材质为316L, 但是在使用六个月后, 该阀门出口端位置出现数个孔洞, 为保证生产的正常运行, 我方人员不得不采取临时措施, 在该位置浇注水泥, 等到停车检修时, 我公司工作人员将该阀门取出发现, 该阀门出口处已被冲蚀的相当厉害, 阀门已经报废, 我们与阀门生产商联系后得出结论:偏心旋转阀有这样一个结构, 在阀腔末端出口位置口径会缩小, 介质在流经该区域时会出现一个拐点, 若介质含有颗粒物质则对此处冲刷较厉害。阀门厂家建议我们更换特材阀门, 但是考虑到成本及阀门别的位置没有损坏 (阀芯也只是有少许的划痕) , 只是阀门末端冲蚀厉害, 我们询问是否可以进行一下硬化处理, 该厂商回应说没有对阀体内部进行过硬化处理的经验, 但是考虑到该阀门口径较大, 如果用超音速喷涂 (HVOF) 工艺或许可以, 表示愿意一试, 我方重新订购了一台偏心旋转阀, 该厂商用Ni60材料进行喷涂, 厚度为0.4mm左右, 硬度约为60~65HRC, 现在该阀门已经正常运行了一年多, 在最近的一次大修时, 我去打开看过, 该位置硬化层划痕很多, 但是伤不到硬化层的根本, 考虑到硬化层厚度, 我认为该阀门再用三年是完全没问题的。

后来, 听该阀门生产厂商说, 该应用还成功嫁接到了其他领域上, 例如输送原油管道的单座阀、偏心旋转阀, 由于原油含有大量泥沙, 尤其是海湾地区的原油, 在输送时, 对阀门阀腔冲击很厉害, 经过超音速喷涂 (HVOF) 工艺硬化后, 可以明显的提高使用寿命。其他还有电厂煤粉管线、特种胺管线、气蚀阀门等, 都取得了成功。