耐磨球阀密封性能优化方案

    目前，金属密封球阀以其特有的优势，广泛应用于煤化工、多晶硅、炼油、海上平台和传统电站疏水系统及发电厂等，在要求严密关断、高温及高压差、开关迅速、介质含固体颗粒的工况下，金属硬密封球阀是首选的阀门种类。但金属硬密封球阀普遍存在使用寿命低、内泄漏、操作发生卡涩（或抱死）等问题，面对越来越高的磨损要求、强冲蚀等工况，耐磨球阀需要在硬面处理、结构设计、零部件选材及加工等方面进行优化设计。

    1 耐磨球阀的结构

    耐磨球阀的结构设计一般有两种：球体浮动式和球体固定式。不管是哪种结构，在恶劣磨损工况的使用介质中，均面临防止弹性阀座处弹簧腔物料（两相流或三相流）堆积而使阀门不能正常工作，产生阀门扭矩异常增大或“卡死”现象。针对这种工况，厂家开发了自清洁耐磨球阀（浮动式）和阻尼沉淀结构耐磨球阀（固定式），较好地解决了这一问题。

    自清洁耐磨球阀的技术特点：上游浮动阀座设计为带吹扫功能的自清洁通道结构，阀门在开、关过程中，依靠介质自身的压力，可对堆积在弹簧和阀腔内的物料进行吹扫，以防止固体颗粒在弹簧腔处堆积而可能出现的“抱死”现象，影响阀门的正常操作；密封阀座为可更换结构；阀杆处增加两个自润滑轴承弹垫，减少阀门操作扭矩。

    阻尼沉淀结构耐磨球阀技术特点：弹性阀座采用“疏导”结构设计，阻尼沉淀槽前置设计，确保阀门在使用过程中可有效地将物料沉积在弹簧腔前面，不影响阀座的正常退让。

    2 耐磨球阀密封性能

    1）应具有一定硬度，使其耐磨耐冲蚀。

    2）应具有一定结合强度，以防止硬化层脱落和产生裂纹。

    3）应保证足够的加工精度，以保证低的密封泄漏率。

    就硬密封球阀密封面而言，获得理想的硬化涂层组织是第一步。

    3 密封面硬化

    对金属密封的耐磨球阀表面硬化处理的方法有：表面镀层技术（Cr、Ni－P）、堆（喷）焊技术、等离子氮化技术、热喷涂金属陶瓷等。前三种密封面处理方法一般用于软密封球芯硬化和干净介质，如油品、天然气、低温蒸汽、水等工况，但用于苛刻工况，如两相流或三相流（气、固、液）的石油化工行业的特殊介质，事实证明其使用寿命非常短。特别是在煤化工、多晶硅等行业，选择耐磨耐蚀的密封面硬化技术非常关键。

    近几年国内外通过热喷涂技术获得的金属陶瓷涂层获得了成功的推广应用，在众多喷涂材料中以碳化钨（WC）为基体的涂层，在耐磨损、耐冲蚀和抗干滑动方面的性能表现最为突出。常使用WC为基体的涂层有：WC12/Co、WC17/Co、WC20/Co、WC86/Co10Cr4、WC17/Ni、WC50/NiCrBSi等。表1为最常用的WC基金属陶瓷，采用超音速火焰喷涂技术（HVOF）制备的两种典型涂层技术参数。

    4 涂层工艺

    表2为几种喷涂工艺的对比。

表1 两种典型涂层技术参数

    注：限制应用温度在此温度以内，涂层性能最佳。

表2 喷涂工艺对比

    由于超音速火焰喷涂技术不仅粒子在沉积过程中飞行速度快，而且喷涂的温度也低，这样就保证了碳化钨（WC）的分解和氧化物含量的控制，使涂层组织更致密，影响涂层性能的有害相或组织更少，涂层更耐磨耐冲蚀。

    在确定耐磨球阀密封面硬化工艺的同时，应在大量的试验基础上，通过优化改进喷涂工艺参数，解决导致涂层易产生裂纹的主要问题，即涂层的残存应力应控制在压应力状态。同时为降低密封面的摩擦系数，从而降低阀门的操作扭矩，不仅要严格控制喷涂粉末的粒度，而且需在涂料中加入一定配比的耐高温润滑剂，以便较好地制备各方面性能优异的耐磨耐蚀涂层。

    5 设计和生产应注意的问题

    多相流工况条件下应用的耐磨球阀不仅要求其耐磨耐冲蚀，而且还要充分考虑操作的可靠性。从硬化层的制备、合理的结构设计、模拟工况的计算、阀门零部件的加工精度、到阀门的检验验收，每个环节的要求都不同于常规的产品。在设计和生产中，应注意以下问题：

    1）设计的结构应防物料在弹簧腔处堆积和防止物料粘结关闭件（刮扫功能）。在多相流介质工况下，阀腔尽量设计为流线型。

    2）多相流工况下特别是粘性的油渣介质，介质流动阻力对阀门操作扭矩的影响。

    3）合理应用涂层与基体材料在高温下膨胀系数的不同。

    4）因金属陶瓷涂层的多孔性，介质中存在腐蚀性物质（如硫、硫化氢等）对涂层密封面产生的腐蚀裂纹，应采用封孔技术。

    5）对重要零部件材料进行质量监控（化学成分、机械性能、热处理等）。

    6 结语

    用于恶劣工况耐磨球阀的可靠性和使用寿命取决于密封面硬化工艺和球体的加工精度，以及阀门的结构设计。金属硬密封球阀的设计、制造、检测目前国内已经形成了完备的质量保障体系，耐磨球阀的加工、试验手段也已达到国际领先水平。