1.概述

金属硬密封球阀在石油、化工、冶金和城市建设中得到了广泛的应用。通过选用不同的材质,金属硬密封球阀可以适用于水、蒸汽、油品、硝酸、醋酸和尿素等多种介质。通过结构上的优化设计,金属硬密封球阀可以实现无摩擦和低扭矩启闭。在使用中,金属硬密封球阀的主要失效形式是冲蚀磨损。虽然,通过表面热处理或堆焊硬质合金等方法能提高金属硬密封球阀的使用寿命和耐擦伤性能,但仍然不能满足输送钢灰、煤粉、硅粉和氧化铝粉末等特殊介质的要求。如果应用超音速火焰喷涂技术处理球体,能在球体表面形成碳化物金属陶瓷涂层,该涂层与基体结合强度可达70MPa,孔隙率<2%,具有均匀致密的结构,比较完整的保持了硬质相WC的特性,硬度>1000HV,耐磨耐蚀性能好,有很好的机械力学性能,可以显著改善球阀的使用性能。

2.工作原理

图1HVO/AF超音速喷涂装置

超音速喷涂装置(图1)利用煤油为燃料,利用氧气和压缩空气为助燃剂,控制装置将煤油和助燃剂以一定的压力和流量输送到喷枪,经高性能雾化喷嘴雾化混合成液雾后喷入喷枪燃烧室,液雾经火花塞点火燃烧后形成高温高压的燃气,拉伐尔喷枪将其加速到超音速。送粉系统将喷涂粉末从拉伐尔喷枪嘴的低压区送入超音速射流,经射流加温加速后从喷枪喷出,高速喷向工件表面沉积形成涂层。由于多功能超音速喷涂技术可以使用氧气和压缩空气两种助燃剂,同时具备HVOF和HVAF的功能,焰流的速度和温度在大的范围内连续可调。

3.喷涂工艺

喷涂前,工件必须经过表面清洁处理和喷砂粗化处理,一般喷涂材料为WC-12Co,WC与Co的质量百分数Wt分别为88%和12%,烧结破碎法制造。碳化钨在常温下硬度较高,特别是热硬度很好,至1000°C其硬度下降也很少(图2)。

图2温度-硬度曲线

通过对WC-12Co涂层和基体试样在30∀和90∀的冲蚀磨损试验对比,在30∀时为基体的4.5倍,在90∀时为基体的5.2倍。因其结合力强,硬度高,涂层有完整的耐磨显微结构,因而抗冲蚀磨损性能较高。试验表明,WC-12Co涂层的冲蚀呈部分塑性冲蚀的特征。粘结相Co由于自身的塑性变形,可以吸收部分塑性冲蚀粒子的能量,而硬质相WC具有抵挡冲蚀粒子的作用,二者相互补充,所以涂层具有很好的耐冲蚀磨损性能。

4.应用

在石油、化工和焦化装置中,由于管线温度高,介质容易在阀门内腔和密封件表面粘附或结焦,普通硬密封球阀(图3)经常会出现因球体表面结焦而密封不严甚至卡塞。为此,将阀座密封面结构改为带有锋利刃口的刮刀形(图4),可以在阀门启闭过程中刮削掉球体表面的粘附物或结焦层,从而保证密封副的可靠密封。

图4刮刀式高温金属硬密封球阀

在试制过程中,球体采用F304锻件,表面氮化处理以提高硬度。阀座材质为F304,堆焊司太立硬质合金。使用发现,在常温状态,介质清洁的情况下,能保证可靠密封,当介质温度升高到400!以上,由于司太立合金的热硬性不高,球体为表面氮化处理,耐磨性差,在刮削结焦物的同时,很容易损坏阀座密封面和球体表面,故很难满足工况要求。通过分析,改为利用超音速喷涂技术在球体表面喷涂WC-12Co,形成厚约0.3mm的耐冲蚀磨损涂层,硬度60~62HRC。阀座密封面基体仍加工成刮刀形,在其表面也喷涂上0.3mm厚度的涂层。通过改变喷涂工艺,使其涂层硬度为55~58HRC,使阀座密封面硬度与球体表面形成一定的硬度差。喷涂完成后,球体经金刚石磨具磨削,至表面粗糙度Ra0.8μm后,将阀座密封面与球体手工配研。配研材料采用加油酸调制的天然金刚石粉末(粒度1200目),研磨密封面表面粗糙度至Ra0.2μm后装配试验,在常温下密封可靠。利用特制的加热设备,将阀门加热至设计上限温度540°c后,保温8h,操作测试,阀门启闭灵活,密封试验正常。经过反复多次试验后,球面无明显变化。由于超音速喷涂的WC-12Co涂层的热硬性和耐冲蚀磨损性能好,在使用过程中即使温度升高到设计上限的540°c以上,仍能保持很好的耐冲蚀和耐擦伤性能,而且,刮刀表面硬度与球面之间具有约5HRC的硬度差。当阀座的刃口刮削球体表面的结焦物时不会损坏球体表面和阀座密封面,能保证密封性能和使用寿命。

5结语

超音速喷涂技术应用在硬密封球阀中,大大提高了阀门的适用范围和使用寿命。如选用司太立合金粉末等其他材料可以制造出满足不同工况要求的金属涂层。根据用户反馈信息,使用超音速喷涂技术进行喷涂处理的硬密封球阀在水、蒸汽及油品等介质中使用寿命提高了约20倍,在煤粉、硅粉管线等冲蚀恶劣的工况下平均寿命也能提高5倍以上。