钢制阀门密封面堆焊材料的研究与分析.doc

钢制阀门密封面堆焊材料的研究与分析*浙江阀门网标签： 北京二手汽车 蝶阀 空压机网 时间:2010-03-25字体大小:tT发表于2008-11-1021:08|钢制阀门密封面堆焊材料的研究与分析,2006年第5期阀门文章编号：10025855(2006105000910钢制阀门密封面堆焊材料的研究与分析高滑宝，于德纯(沈阳阀门研究所。辽宁沈阳1100251摘要对国内阀门行业执行API600标准在钢制阀门密封面堆焊材料研究和使用等方面遇到的困难和问题进行了分析并提出一些商榷意见。介绍了国内有关阀门研究部门对阀门密封面失效机理方面研究工作进展情况，并介绍了碳钢阀门和合金钢阀门密封面材料一些研究成果和发展趋势。关键词阀门；堆焊；标准；材料中图分类号：TG42文献标识码：AResearchandanalysisondepositweldingmaterialonsealingsurfaceforsteelvalveGAOQingbao，YUDechun(ShenyangValveResearchInstitute，Shenyang110025，China)Abstract：Analyzesonthedifficultyandproblemsmetbydomesticvalvei温州不锈钢阀门ndustryduringcarryingoutstandardofAPI600andproposessomediscussingopinions，andalsointroducestheresearchdevelopmentmadebycorrelativevalveresearchdepartmentsregardingfailuremechanismofsealingsurfaceandintroducesresearchachievementsanddevelopmenttrendonsealingmaterialforcarbonstee1valvesandalloysteelvalvesKeywords：valve；depositwelding；standard；materal1概述阀门密封面质量是影响阀门寿命的主要因素之一。为了提高阀门产品的使用寿命，许多国家都在密封面材料的研究方面狠下功夫。在6080年代，沈阳阀门研究所、哈尔滨焊接研究所、合肥通用机械研究所、武汉材料保护研究所及上海阀门厂等单位先后研制和使用了铁基和镍基等许多密封面新材料，并对堆焊设备和工艺等进行了大量研究，取得了显著的成果。2堆焊材料标准分析我国许多阀门企业已经取得了API6D和API600标准的认证，并正在执行ANSIAPI6002001(石油和天然气工业用栓接阀盖的钢制闸阀的标准。API600标准中阀门密封面材料推荐采用18Cr一8Ni和13Cr，而且要求13Cr密封面配合表面之间的硬度差至少为50HB，有关密封面材料类型及硬度组合见表1和表2。API600标准附录c对ISO10434的修改本565修改为“任何材料的密表1API600中表13中关于密封面部分的相关内容1Cr=铬；Ni=镍；Co=钴；M北京二手汽车o=钼。2HF=用CoCr或NiCr焊接合金硬化面。后缀A适用于NiCr。313Cr类型材料不应高速切削。4对于组合编号CN1，要求配合表面之间的硬度差至少为50HB。5两种材料之问用斜线隔开表示这是两种不同的材料。一个用于阀座密封，另一个用于闸板密封面。无暗示哪种材料更适用于哪个零件。作者简介：高清宝(1930一)，男，沈阳人。教授级高工，从事阀门密封面堆焊材料的工艺研究。一1O一阀门2006年第5期表2组合编号规定的组合编号，CN替代的组合编号，CN125A68A8或8A1088封面在精加工后的厚度不应低于16mm”。这些规定与国内有关研究部门试验结论完全不同，对国内企业执行API600标准带来了困难。60年代，国内企业已经采用堆焊18Cr一8Ni密封面生产阀门，因其抗擦伤性差阀门使用寿命较低，不适用。同时因为该材料硬度太低，抗划伤和抗垫伤性能也很差。由试验数据证明(表3)，18Cr一8Ni不锈钢材料抗冲蚀性能最差，这类合金根据国内有关阀门研究单位的试验结果认为是不适宜做阀门密封副堆焊材料。表3各种阀门密封面抗冲蚀系数试验表4密封面硬度及热处理规范表5密封面试验材料的硬度差配对国内一些单位、对13Cr系统合金的各种硬度差配对进行了大量试块擦伤试验(表4、表5)，试验比压为25MPa。试验3Cr132Cr13，硬度差131HRC擦伤试验649次时出现破坏。试验3Cr131Cr13，硬度差118HRC擦伤试验472次出现破坏。试验2Cr131Cr13，硬度差86HRC，擦伤试验114次出现破坏。试验2Cr132Cr13，硬度差132HRC，擦伤试验219次出现破坏。对2Cr13、SF一3T和SF一4T材料无硬度差的擦伤对比试验(表6)中，给出了4种密封副无硬度差时在不同工艺情况下其化学成分及金相组织对抗擦伤性影响(表7)，13Cr合金系统有各种硬度差的配对擦伤试验次数没有明显的提高。试验证明，13Cr(1Crl3、2Cr13、3Cr13)虽然用热处理工艺方法可以得到密封副有一定的硬度差，能改善抗擦伤性能，但效果极不明显。同时，该工艺复杂，可操作性不强，限制了它的应用，因此不应提倡13Cr系统合金组成阀门密封副硬度差配对。根据文献l2的试验结果证明，当13Cr系统与CoCrW合金配对组成密封副，抗擦伤性能显著提高。经试验证明，阀门密封面的厚度与堆焊工艺方法有关。此规定仅适用于熔深浅的等离子堆焊、喷焊和氧乙炔火焰的气焊堆焊。而对于用电焊条手工堆焊的焊层，由于熔深较深，最后精加工厚度应为不低于25mm。如不分堆焊方法，一律规定不低于16mm厚，会影响密封面质量。2006年第5期阀门一112Cr132Cr13手工堆焊SF一3TSF一3T手工堆焊SF一4TSF一4T手工堆焊WF331WF331等离子堆焊485248524851324032403240324032403240424642464246马氏体为基。少量铁索体，差无其它化合物相cO20。Si=070-150。Cr=12O140，马氏体为基，少量屈氏体，Mn=7085O。N=01411一定量的氮化物相CO30。Si：140250，Cr=120170，Mn=70100B10CO20，Si：2030，Mo=15O20Cr=170190Mn=90100B=15O20好奥氏体为基，少量铁索体，第二相为很好cr2B。Fe2B。Cr23(cB)6硬质相奥氏体为基。少量铁索体第二相为很好M2B(Fe2B，er2B，MozB)3阀门密封面擦伤机理与堆焊材料试验方法擦伤、冲蚀与腐蚀等均会破坏阀门密封面。密封蝶阀副材料成分和金属组织、表面处理工艺、硬度与硬度差、比压和吻合度等诸多因素，都能影响阀门密封面的质量。研究密封面失效的主要形式，分析产生失效的原因，是研究提高质量与使用奉命的有效途径。31试验方法选择在直动式擦伤试验机上初选不同材料，进行擦伤试验。选用阀门行业最常用的钴基合金材料(D802)和高硬度的2Cr13合金材料堆焊试块，做为对比试验的靶子，在相同条件下进行擦伤对比试验。经过多次大量对比擦伤试验，选出堆焊材料再堆焊DN100闸阀密封面与堆焊钴基合金和2Cr13合金阀门，在相同口径、相同介质条件下进行大流量带压差的阀门寿命试验装置上进行寿命对比试验，将精选的阀门堆焊材料再做其他性能试验，最后将选出材料堆焊成阀门送往阀门用户进行工况运行对比考核。如果研究的是高温材料，在试验室内先做高温擦伤对比试验和各种性能试验，最后将选出的材料堆焊成阀门，在相同口径、相同介质条件下进行工况考核。32失效形式分析通过大量试验结果证明，阀门密封面的磨损性质是以金属磨损为主兼有磨粒磨损。阀门密封面的破坏有擦伤、划伤和垫伤三种失效形式。堆焊材料抗擦伤性能取决于堆焊金属化学成分和金相组织抗划伤和垫伤的性能取决于堆焊材料的硬度，因此阀门2006年第5期堆焊材料的化学成分和金相组织是关键的，堆焊材料的硬度次之，那种认为密封面材料硬度越高抗擦伤性能就越好的看法是不正确的。应当指出，堆焊金属密封面的硬度不能太低，因为阀门工况介质中都含有一定量的杂质，硬度太低密封面抵抗划伤和垫伤的能力下降，一般密封面的硬度30HRC。较为合适的硬度为3240HRC。当硬度40HRC时，硬度偏高，给加工和堆焊工艺都带来相当的困难。目前国内阀门大致分为11类：即闸阀(包括平板闸阀)、截止阀、节流阀、球阀、蝶阀、隔膜阀、旋塞阀、止回阀、安全阀、减压阀和疏水阀。阀门密封面采用合金材料堆焊的主要有闸阀、止回阀、球阀、蝶阀、截止阀、节流阀、安全阀和减压阀8大类。阀门密封面的特点和失效型式有擦伤、划伤、垫伤等，冲蚀和冲击的失效形式见表8。表8各类阀门密封面特点及失效型式33影响密封面寿命的其他因素(1)比压对抗擦伤性能的影响比压对抗擦伤性能有着极大的影响。因一对磨擦副，提高比压，抗擦伤性能显著降低。根据试验结果与工况系统使用经验，并参照国外标准建议采用表9的推荐选用阀门密封副和许用比压。表9推荐选用的阀门密封副及其许用比压*一720回火后硬厦(2)吻合度对抗擦伤性能的影响吻合度是影响密封面比压的重要因素之一，对抗擦伤性能也有直接的影响。在介质压力相同的情况下，比压与吻合度成反比，吻合度越小，比压越大，越容易擦伤。因此要提高阀门密封面的寿命，必须提高阀门密封面的吻合度，以降低比压。国外阀门标准规定阀门密封面的吻合度为100，即阀门关闭时，阀座密封面全部被闸板覆盖。我国规定阀门密封面吻合度为6070。34堆焊密封面材料选择的依据选择阀门密封面堆焊材料，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试，注意材料的综合性能、工艺性、加工性和经济性选用堆焊合金材料。根据使用温度、压力和介质选择密封面材料。根据堆焊材料的焊接工艺适用性选择密封面材料，其中材料堆焊的抗裂性是极重要的指标。根据堆焊材料的加工性选择密封面材料，因此对阀门密2006年第5期阀门一13一封面的粗糙度、吻合度及硬度，提出了严格要求，由于堆焊合金是高硬度的材料，难于加工，规定密封面硬度一般不应过高。485号堆焊合金【SF一3T焊条和SF一3J焊剂)41研制过程将堆焊合金做相同尺寸及相同表面状态的擦伤试块，将研究的堆焊合金与2Cr13合金和堆焊的钴基合金试块进行常温擦伤对比试验，其目的是堆焊材料初选。经过85次试验找出各方面性能好的85号堆焊合金(表10)。然后用85号堆焊合金焊条堆焊DN100闸阀与表面状态相同的2Cr13合金、钴基合金的阀门在台架寿命试验台上进行阀门寿命试验对比。阀门台架寿命试验采用大流量带压差启闭对比试验(表11)，寿命对比试验结果如表12，用这种方法进行堆焊材料的精选，同时进行其他性能试验。85号堆焊合金是CrMnN表面硬化型合金。首先研制成功堆焊焊条，采用H08A焊芯，合金成分由焊条药皮过渡(其厂内牌号为SF一3T)。接着又研制成功埋弧自动堆焊焊剂，采用H08A盘状焊丝，焊剂采用非溶炼高合金焊剂(陶瓷焊剂，)堆焊合金成分全靠合金焊剂过渡(其厂内牌号为SF一3J)。85号堆焊合金的手工电弧堆焊和埋弧自动堆焊抗裂性和堆焊工艺性非常好，不预热可以堆焊DN2000mm阀门密封面而不出现裂纹等缺陷，其成分和硬度见表13和14。42合金性能85号堆焊合金的成分和硬度如表13和表14。表1O不同材料抗擦伤性试验结果观察破坏情启要曼闭径-4质道通微小微小6mm，?。?。记录启闭次数观察破坏情大流况，介质管道通量带压径lOOmm检大差启闭查泄量记录启闭次数阀杆楔紧从阀体一侧(或中腔打压。25力，外加介质SF-2400O虽有介质压差，但流量微小。压力不能代表实际使用条件，)阀杆楔紧模似恶条介质压差0-80thz。力介质压SF-2?s一?薹一坏，恶化于212况条件一14一阀门2006年第5期表l485号堆焊合金不同规范自动堆焊DN200闸板的150HRC洛式硬度计检测的硬度从表14可以看出，自动堆焊Cr=120140时，用150HRC洛试硬度计检查硬度是稳定的。由于自动堆焊受网络电压波动的影响，成分和硬度无法控制。而采用手工电弧焊控制焊条药皮厚度是容易达到要求的。因此同一种合金材料用二种工艺方法生产，成分和硬度是应该有所区别。因而二种工艺方法堆焊85号堆焊合金的硬度也应该用不同硬度计(150HRC、10HRC)检查(表15、16和17)。表l585号堆焊合金堆焊层硬度2006年第5期阀门一15一表15数值是将85号堆焊合金自动堆焊DN300闸板密封面切成四块，试验分别由150HRC和10HRC硬度计检测的结果。用10HRC硬度计检测硬度较高，而用150HRC硬度计检测的硬度值较低，10HRC硬度计检测的是表面02mm以上焊层的硬度，150HRC检测是05mm以下的硬度。检测证明85号堆焊合金是表面硬化材料。从表14、表15表16可以看出，应该用10HRC硬度计检测自动堆焊阀门密封面硬度，而手工堆焊密封面应用150HRC硬度计检测。表16自动堆焊和手工堆焊允许成分波动范围及硬度要求表17自动堆焊同焊层不同高度上密封面的硬度检测结果2018355199034208313353631532343553534285从表17可以看出SF一3J85号堆焊合金自动堆焊时只要求堆焊一层，而在同一层的不同高度焊层上的成分和硬度基本都一样，这在手工焊条堆焊是实现不了的。手工焊条堆焊与母材接触的底层成分和硬度都不合格，只有加工焊层大于25mm时才能实现成分和硬度稳定。43经济分析CrMnN型高寿命85号堆焊合金手工和自动堆焊材料取代了低寿命的2Cr13合金焊条。特别是合金过渡溶入N使阀门使用寿命提高了几十倍。该合金以锰代镍或无镍少铬制造出的堆焊材料成功用于手工堆焊焊条SF一3T和埋弧自动堆焊用SF一3J焊剂以及等离子合金粉末WF331。85号堆焊合金的自动堆焊和粉末等离子堆焊比手工堆焊生产效率提高36倍，材料的消耗也比较少。85号堆焊合金在自动堆焊Cr、Mn过渡量较高时，存在堆焊层表面硬，焊层下面较软的现象(用150kg洛式硬度计检查硬度偏低，用10kg洛式硬度计检查硬度就合格)。85号堆焊合金密封面在60MPa比压工况下，擦伤试验次数达到3000次无泄漏现象，所以确定85号堆焊合金适用于许用比压为45MPa中温中压的碳钢阀门堆焊。5137号堆焊合金51研制过程137号堆焊合金(SF一4T焊条、SF一4J焊剂)为CrMnB合金。该合金是在CrMnN型85号堆焊合金基础上发展起来的，该合金堆焊阀门密封面使用寿命高，硬度稳定性较好。堆焊基体为WCB，工件为DN100闸板，在闸板上进行埋弧自动堆焊。采用H08A低碳钢盘状焊丝，堆焊金属的合金成分通过高合金非溶炼焊剂(陶瓷焊剂)过渡，堆焊层一次成型。加工堆焊焊道至3mm高为密封面，用150kg载荷硬度计检查硬度。对密封面金属进行各种理化性能和阀门使用性能试验，反复调整焊剂的配方，进行各种性能试验。调整焊剂137次配方和试验取得成功。故称137号(SF一4J)自动堆焊合金，并制成焊条，为137号堆焊合金焊条(SF一4T)。其合金成分和硬度如表18。表18用150kg洛式硬度计检测的硬度和成分52性能测定137号堆焊合金是在85号堆焊合金中加入了B，改变了其金相组织，使其性能得到改善。137号合金是以奥氏体为基体，分别含有数量不等的铁检未检未：2HOO123一16一阀门2006年第5期素体。第二相以Fe2B、CqB为主。此外，还有数量不等的M23(CB)6硬质相。Cr、Mn元素变化和Cr、Mn、B元素变化引起的硬度变化如表19、20和21。表19Cr、Mn元素变化引起的硬度变化CrMnB系堆焊合金中析出硬质相的定量测定采用物理化学法。以5HCI、10甘油甲醇为电解液提取碳硼化物及硼化物进行定量测定(电解条件相同)。用磁法测定a(铁素体)百分比含量(表22)。碳硼化物的定量分析结果与碳硼的含量及金相观察显示的数量相符合。表20Cr、Mn、B元素变化引起的硬度变化表213种CrMnB合金的相结构分析结果53试验分析(1)碳硼化物的硬度值CqB为1350kgmm，FezB为12901680kgmm，Cr23C6为1650kgmm2，这些高硬度的碳硼化物分布在晶界，形成耐磨骨架，这是CrMnB型137号堆焊合金具有较高耐磨性的主要原因。(2)从表19可以看出，85号自动堆焊合金因成分变化而引起堆焊金属硬度有较大变化。而从表20可以看出在137号自动堆焊合金中除了加入产生铁素体、奥氏体软组织Cr、Mn、Si等元素同时，也加入一些产生高硬度硬质相的硼化物，使其在自动堆焊电弧电压升高时，过渡Cr、Mn、Si等元素增加的同时也增加硼化物的过渡量，使其化学成分在某一范围内变化时产生高硬度硬质相元素的过渡量永远与产生软组织元素的过渡量达到某一动平衡。硼化物的数量虽少，但产生的硬质相的硬度是软组织的几十倍。因此137号自动堆焊合金在化学成分有一定波动的情况下，能保持硬度较高，硬度稳定性较好的特点。(3)采用与85号堆焊合金相同的试验方法和试验装置进行SF一4T(137号)合金的擦伤和寿命对比试验，介质为水，压力025MPa，流量080th，pH值58，泥砂含量50mgL，启闭周期2次min。其结果如表23和表24所示。表23擦伤试验结果对比2006年第5期阀门一17一表24台架寿命试验结果54经济分析(1)137号堆焊合金中的B不但提高了85号CrMn合金的硬度，也提高了CrMnB合金的硬度稳定性。此项成果已获国家发明专利(专利号为861010701)。(2)在三种常用的阀门堆焊方法中，自动堆焊比手工焊条堆焊生产效率高36倍。比粉末等离子堆焊生产效率高1倍。137号自动堆焊比手工堆焊2Cr13焊条成本降低成本44，而比堆焊85号堆焊合金焊条材料成本提高224。但137号堆焊合金的阀门使用寿命比2Cr13合金提高几十倍，比85号堆焊合金材料提高近1倍。(3)137号堆焊合金硬度高，硬度稳定性较好，堆焊工艺性良好，不预热可堆焊阀件DN600。其60MPa比压擦伤试验，达到3000次擦伤密封不漏。密封性良好。建议137号堆焊合金许用比压为60MPa，用于中温高压碳钢阀门堆焊。6高温耐腐蚀阀门堆焊焊条SFSTSF一5T堆焊合金是高温耐腐蚀阀门堆焊焊条，其抗高温腐蚀性能优于钻基合金。如在葫芦岛(锦西)石化总厂的含环烷酸石油介质中，在四川某厂含H2S天然气介质中用挂片腐蚀对比试验发现SF一5T合金的抗含环烷酸高硫原油介质高温均匀腐蚀和天然气中抗H2S高温应力腐蚀性能均优于钻基合金。SF一5T焊条堆焊工艺性、抗氧化性、热态组织稳定性、抗热疲劳性达到钻基合金的水平。它的单价比钻基合金便宜，可以满足除电站阀门以外的高温耐腐蚀阀门密封面的使用要求。其堆焊合金成分C038、Si20、Mn=70100、Cr=140180、W=1530、Mo=2540、V=1530、B=0712，堆焊合金组织是以奥低体为基体，第二相为碳硼化物硬质相，硬度稳定(3240HRC)。建议使用介质为酸、碱和盐溶液，工作温度丁500，许用比压为60MPa。SF一5T成功地在含环烷酸的原油介质中取代了钻基合金。并获得发明专利(专利号为ZL951120913)。7电站阀门密封面堆焊合金SF一6TSF一6T是一种铁基合金堆焊材料，该材料的高温硬度、抗高温擦伤性、热态组织稳定性、抗氧化性、抗热疲劳性达到了钻基合金水平，但不能用于耐腐蚀阀门。SF一6T焊条堆焊工艺性良好，堆焊DN100的阀件可以不预热，堆焊大中型阀件需要预热或堆焊不锈钢过渡层等工艺措施。SF一6T堆焊合金的成分C=0811、Si05、Mn7090、Cr=130170、Mo=1420、B02，堆焊合金的组织是以奥氏体组织为基体，第二相为碳硼化物的硬质相。堆焊阀件720回火。回火后硬度38HRC，硬度稳定。建议使用温度570，许用比压为8OMPa。在19951998年期间，使用该材料先后堆焊了30余台DN50。65Y3500Ib截止阀。用户使用满意。产品单价比钻基合金便宜很多。8镍基合金阀门常用的三种镍基合金有Monel、Inconel和Hactelloy，其含镍都超过50(表25)。Monel、Inconel不但高温性能好，在低温一196也有良好的抗腐蚀性。Hactelloy合金在825抗腐蚀性仍然很好。表25镍基合金成分、牌号、用途及相应的国内牌号MP。一l8一阀门2006年第5期三种合金采用焊条堆焊时都采用直流反接，工件接负极、焊条接正极。三种材料采用氩弧焊堆焊时采用直流正接，工件接正极。堆焊时如出现裂纹应采用堆焊过渡层或预热工件的方法。9结语(1)中温中压、中温高压碳钢阀门密封副不宜采用抗擦伤性、抗冲蚀性差的硬度很低的18Cr一8Ni不锈钢材料堆焊。碳钢阀门同样不应采用13Cr合金材料堆焊。13Cr合金密封面各种硬度差配对对提高抗擦伤性效果不明显，堆焊工艺复杂，操作性不强。所有这些已为国内有关阀门研究部门大量实验所证实。(2)碳钢阀门采用D507M焊条(Crl3Ni6Mo2W2)必须与D577焊条(10Crl5Mnl5Mo4Si2Ni6)配对使用，否则达不到提高阀门使用寿命的目标。(3)碳钢阀门密封面应尽量选用优质高效的埋弧自动堆焊和粉末等离子堆焊工艺方法，应逐步减少手工电焊条堆焊。(4)高温高压耐腐蚀合金钢阀门密封面材料应选用钴基合金(HSlll、D802)或NDG一2#镍基合金等，SF一6T焊条是电站阀门堆焊选材之一。对于介质有特殊要求的阀门，堆焊Morne1、Inconel和Hactelloy镍基合金和钴基合金裸焊丝采用排丝等离子堆焊工艺方法最好，氩弧焊次之。而手工焊条堆焊只能在没条件的情况下采用。(5)在含环烷酸石油和天然气中含H，s产生应力腐蚀的条件下，阀门密封面应采用SF一5T高温耐腐蚀焊条堆焊以取代不耐环烷酸均匀腐蚀和不耐H2s应力腐蚀的钴基合金材料。(6)密封面加工高度和堆焊工艺方法有密切关系。如采用粉末等离子堆焊和排丝等离子堆焊、气焊和自动堆焊密封面，加工高度可以采用API标准16mm。对手工焊条堆焊的焊层，密封面加工高度应不低于25mm。参考文献API600ISO104342001，石油和天然气工业用栓接阀盖的钢制闸阀【2】方本孝提高阀门密封副耐擦伤性能的研究【j)流体工程，1984(1)采用2Cr13合金堆焊的闸阀密封面寿命试验小结阀门通讯，1975(1)Cr-Mn阀门密封面堆焊合金的研究阀门通讯。1974(3)【5】高清宝。等阀门密封面自动堆焊用137号堆焊合金【J】阀门。1988(1)高清宝，等高压阀门密封面堆焊合金的研究与应用(sF一4T)安徽：合肥通用机械研究所。第五届全国阀门与管道学术活动论文集1999高清宝，等高温耐蚀阀门密封面堆焊合金SF一5T的研究与应用【C】安徽：合肥通用机械研究所。第五届全国阀门与管道学术活动论文集，1999，高清宝，等SF一5T用于抗环烷酸腐蚀阀门堆焊的研究安徽：合肥通用机械研究所，第五届全国阀门与管道学术活动论文集1999代HSIl1钴基合金电站阀门密封面堆焊合金的研究与应用【C】安徽：合肥通用机械研究所，第五届全国阀门与管道学术活动论文集1999，(收稿日期：20060525)1本书由机械工业出版社2006年出版发行。本书由合肥通l书讯用机械研究院对2002年出版的进行了重编，本书汇集了我国阀门行业主一要生产厂家的有代表性的产品，共计2000多个型号，近4万个规格。包括各类阀门的外观图、结构图、主要性能参数、主要外形尺寸、重量及主要零件材料，以及生产厂家等，为工程设计、采购、销售人员及阀门用户正确、合理、经济地选择阀门提供参考资料。书号ISBN7111189604，定价29000元套(上、下册)。2本书由机械工业出版社2002年出版发行，由陆培文、孙晓霞、杨炯良编著。书中介绍了选用阀门所需的基础知识，选用阀门基本原则，以及各类阀门的具体选择方法和有关数据资料，力求使用户通过本书能够选到性能可靠，经济耐用的阀门产品。全书1200余千字，16开本，书号ISBN7111087429，定价76O0元册。3(2005年机电产品报价手册阀门分册本书由机械工业出版社于2005年出版发行。该报价手册是中国机电产品价格信息数据库2005年版的书本式出版物，是了解阀门产品价格信息的参考工具书，其内容包括：产品名称、型号规格、主要技术参数、参考价格、生产厂家、备注、邮政编码、电话和地址等。书号ISBN7111133994，定价136元册。每册加收书价10的邮寄包装费。需要者，请与沈阳市铁西区云峰北街3号沈阳阀门研究所科技开发信息中心的尹玉杰联系，邮编：110025，电话：02425653780。56浙江电力ZHEJIANGELECTRICPOWER2005年第1期电站阀门密封性能分析PerformanceAnalysisofValvesSeal陶兴凤，周爱民(浙江电力教育培训中心，浙江杭州310015)摘要：阀门是电站系统中不可缺少的流体控制设备，门泄漏造成的。文章介绍了一般根据阀门密封原理，性能的措施。关键词：阀门；密封；泄漏中图分类号：TM6217文献标识码：B阀门的泄漏有内漏和外漏之分。内漏发生于阀座与关闭件的接触面上，外漏则发生在填料函及连接法兰的垫片处。阀门泄漏会影响设备的正常运行，造成较大的经济损失。为此，对阀门的泄漏部位、性质和工作条件加以分析，以便采取相应的解决对策和措施。1阀门的密封型式阀门的密封有接触密封和非接触密封。靠密封力使密封面相互靠紧、接触并嵌入以减小或消除间隙的各类密封为接触密封。密封面间预留固定的装配间隙，无需密封力压紧密封面的各类密封为非接触密封。阀座密封面、填料与阀杆及法兰密封均为接触密封。按接触密封副相对运动分有动密封和静密封。通常静密封都属于接触密封。动密封既有属于接触型的，也有非接触型的。一般接触型动密封因受摩擦磨损的限制，仅适用于密封面相对运动速度比较低的场合。接触型密封还可分为弹性密封和非弹性密封两类。弹性密封的弹性体是用高分*性材料制成的。利用密封材料的弹塑性变形补偿，减少或消除间隙。密封性好，结构简单，尺寸紧凑，价格低廉。但使用温度范围较窄，寿命较低，一般用于较低参数的密封。非弹性体密封面是用金属或石墨等非弹性体材料制成的，应用其微量弹性变形及磨损补偿机构密封。加工精度要求高，价格较高，温度使用在电站事故造成的经济损失中，有相当部分是由阀分析了引起阀门泄漏的原因，提出了改进阀门密封文章编号：10071881(2005)01005603范围宽，寿命较长，适用于高参数密封。2阀门的密封原理密封的功能是阻止泄漏。造成泄漏的因素很多，但主要是密封副之间存在着间隙以及密封副的两侧存在着压差。前者是影响密封性能的主要因素。密封的基本原理是通过不同途径阻止介质泄漏。阀门表面结构由两部分组成，波峰间距离的波纹度和散布在波形面上非常小的不平整度构成的粗糙度。为了防止液体泄漏，密封表面间的间隙应小于流体分子直径(0003,O-m)，才能保证密封。然而，即使经过精细研磨，金属表面粗糙度值低于01,O-m，还比水分子直径大30倍。为此用降低密封面粗糙度的方法来提高密封性是难以做到。只能加大比压，将密封面上微观轮廓峰压平，产生塑性变形，使间隙小到流体难于通过才能密封。密封面光洁自然好。但不能忽视了吻合度和表面环向波纹度。环向波纹度多，迷宫密封性能好。一定的吻合度和环向波纹度用精车就可达到，加工工艺简单。对一般密封要求阀门用精车表面粗糙度达到Ra0408,O-m即可实现密封。对密封要求较高的阀门用精车加研磨，既保证了环向波纹度又提高了平整度。3影响阀门密封性能的因素影响阀门密封性能的因素很多、很复杂，但2005年第1期浙江电力57主要表现有介质的物理性质、密封比压、密封副结构及质量等几方面。31介质的物理性质介质的物理性质主要包括粘度、温度和亲水性等。与被密封流体的渗透能力及其粘度密切相关。气体的粘度比液体的粘度小，其渗透能力比液体强，但饱和蒸汽例外(饱和蒸汽易保证密封)。压缩气体比液体更易泄漏。用气体做密封试验要比液体做密封试验严格得多。用于气体介质的阀门，应用气体做试验。气体的粘度随温度的升高而增大。液体的粘度随温度的升高而减小。此外，温度的变化还引起零件尺寸的改变及密封副的破坏和松弛。为了减小温度的影响可把阀门密封副设计成具有热补偿性，如球阀、闸阀和蝶阀等可设计成弹性阀座，填料箱用弹簧加载补偿等。接触表面亲水性对泄漏的影响是毛细孔特性引起的。当表面有一层很薄的油膜时，破坏了接触面的亲水性，并且堵塞流体通道。所以对非油脂密封阀门做密封试验时应除去阀腔内密封面上的油脂，确保阀门密封的可靠性。当采用油脂密封时，应当注意工作过程中油膜减少须及时补充油膜，所采用的油脂不应溶于流体中，不蒸发，不硬化或有其他化学变化。32密封面比压比压是由于阀前与阀后的压力差及外加密封力决定的。比压大小直接影响阀门的密封性、可靠性和使用寿命。在条件相同情况下。比压太小容易引起泄漏，比压太大容易引起损坏，所以在设计中必须考虑在保证密封时所需最小比压的情况下，适当加大比压。33密封副结构由于密封副不是绝对刚性的，在密封力作用下或温度变化的影响下，其结构尺寸必然变化，会改变密封副之间的相互作用力，使密封性能降低。为了补偿这种变化，应使密封件具有一定的弹性变形。如阀座采用弹性补偿或金属体支撑的结构形式。34密封副质量密封副质量主要表现在材料选择，匹配和制造精度上。阀瓣与阀座密封面吻合度高，则增加流体的阻力，提高密封性。环向波纹度多，迷宫密封性能好。粗糙度高低影响密封比压的大小。因此只有加大压力，才能压平密封面上微观不平尖峰，产生塑性变形才能密封。密封副材料选择的好坏，将直接影响阀门密封性能。在阀门阀杆填料函密封结构形式已确定的情况下，选择弹性及延伸性好、耐腐蚀性强、机械强度高、摩擦系数小的密封填料。新型膨胀聚四氟乙烯密封填料具有这种特性。这种填料是在聚四氟乙烯中添加了石墨、二硫化钼和硅油等材料，综合性能好，工作压力可达3540MPa。当阀门在工作中因摩擦产生热量而温度上升时，该填料能自动释放出硅油进行冷却和自润滑。该填料受压前膨松、柔软处于高弹性状态。受压后填料纤维相互缠结，收缩储量空间压缩比高达2530，并镶嵌在阀杆的圆柱表面。对于阀函和阀杆存在的各种误差，在装入填料后，都能在等量空间形成一个完整的高韧性密封结构而得以弥补。当阀杆启闭转动，在三维空间形成位移时，填料可释放出弹性储量，向阀杆漂移的反方向运动，以及时补偿阀杆和填料之间的缝隙或因填料磨损产生的径向和轴向空间当量，使阀杆与密封填料的三维动态位移形成线性补偿关系，堵塞介质沿阀杆轴向泄漏的通道，从而达到安全可靠的最佳密封效果的目的。4阀门密封措施阀门密封采用的方法，一是提高密封副的平整度，减小表面粗糙度。二是加大密封力，使密封副表面产生塑性变形阻止介质的通过。目前，90的阀门使用填料密封结构。对于软质填料来说，由于其本身具有塑性的缘故，所造成的压紧力随时间逐渐降低。对于石棉类填料在20min内大约降低2050，而对于氟塑料大约降低25。当阀门在管路上工作时，由于温度，压力、磨损的作用使填料老化，压紧力进一步下降，甚至达到松弛状态，便发生泄漏。根据填料密封的特性和填料密封条件，开发了热敏式填料密封结构。其原理是在阀门的使用过程中通过热敏件的变形自动压紧填料，以补偿填料的磨损和压紧力衰减，使填料密封在阀门的58陶兴凤，等：电站阀门密封性能分析2005年第1期整个使用过程中处于密封状态。图1是热敏式填料密封结构简图。当一定温度的介质通过阀门时，热敏件因轴向变形受到约束而产生轴向推力，并且轴向推力随温度升高而增大。由于轴向推力的作用补偿了轴向压紧力随时间的衰减变化。防止了填料过早松驰。有效地阻止填料密封的泄漏。这种填料密封结构的特点是结构简单，密封性能好，最高使用温度可达550oC并且热敏件可以反复使用。当设备检修时只需要更换填料环即可。填料环垫敏元件图1热敏式填料密封结构截止阀阀头及阀座的密封形式通常有图2(a)、(b)两种。一般来讲，这两种密封形式在密封要求不太严格的工作中，是可以满足要求的，但在一些密封及切断要求高的管道及设备中，因流体中不可避免地夹有一些固体杂质，这些微小的颗粒杂质夹在阀座与阀头的密封面之间致使阀门切不断或是因多次的开启磨损了密封面而引起泄漏。针对这一情况，对截止阀进行了改进，阀头统一采用图2(c)的形式，内嵌填充聚四氟乙烯的环，环与阀头之间微量过盈配合，这样可避免使用过程中因介质的冲刷等因素引起环的掉落。环的宽度较阀座的密封面要大，保证使用中阀头与阀座两密封面始终是软接触。由于聚四氟乙烯具有一定的塑性，增加了阀头与阀座的密封性能，即使偶有微小异物也无妨。通过改进后的使用证明，不但密封可靠，而且维修方便。综上所述，防止泄漏可采用以下几点措施：(1)在材料许用应力范围内，加大比压，将密(b)(c)图2截止阀的密封形式封面上微观高峰压平，生产弹性塑性变形，使间隙小到使液体难以通过。(2)密封面粗糙度达到Ra0408P-m，增加密封面环向波纹度，在密封力的作用下，使多层波峰产生塑性变形，达到迷宫式密封。(3)密封副采用油脂密封，应注意保证油膜的完好，提高密封性能。(4)密封件应具有一定的弹性变形，以补偿温度及结构变化引起的密封副间相互作用力的下降。(5)密封填料应选择具有弹性及延伸性好、耐腐蚀性强、机械强度高、摩擦系数小的特性材料。如新型膨胀聚四氟乙烯等。参考文献：【1】杨源泉阀门设计手册【M】北京：机械工业出版社，l992【2】电机工程手册编辑委员会机械工程手册(通用设备)【M】北京：机械工业出版社。1997收稿日期：20040517作者简介：陶兴风(1962一)，女，浙江宁波人，讲师，学士，主要从事机械设备的研究及教学。第32卷第4期江汉大学学报(自然科学版)2004年12月JournalofJianghanUniversity(NaturalSciences)VOl_32NO4Dec，2004阀门密封面表面处理技术的探讨与展望万宇杰，熊顺源，童幸生(江汉大学机电与建筑工程学院，湖北武汉430056)摘要：分析了阀门密封面失效情况，探讨了多种表面处理技术的优缺点及其适用工况，探讨了阀门密封表面处理的最新动态关键词：阀门；表面处理技术；陶瓷涂层；物理气相沉积中图分类号：TG17文献标识码：A文章编号：1673-0143(2004)04-0081-05阀门是气体、液体、粉末材料输送系统中的控制元件，具有导流、截流、节流调节、防止倒流、分流或溢流卸压等功能阀门一般应具有：密封性能、强度性能、调节性能、动作性能和流通性能对大多数阀门来说，密封和强度是设计者着重考虑的问题，密封是首要问题，由于密封性能差或密封寿命短而产生流体的外漏或内漏，会造成环境污染和经济损失，有毒性的流体、腐蚀性流体、放射性流体和易燃易爆流体的泄漏有可能产生重大的经济损失甚至人员伤亡，强度不够则将会导致本体或系统的破坏近年来，人们从机械学、摩擦学、表面物理、材料科学等学科对阀门的密封面进行了不同程度的研究，取得了一定的成果，但还不能满足在粉末介质、危险介质、腐蚀介质、高温环境对阀门提出的长寿命要求为此，本文分析了阀门的多种表面处理技术，并展望等离子喷涂陶瓷涂层工艺在对中、大型阀门进行表面处理应用的前景1阀门工况及密封面失效情况分析阀门的种类繁多，其用途和作用不同，为实现特定的目的和功能而采用的阀门材料不同，结构形式也多种多样对于不同的材料、不同结构所构成的密封面所采用的表面处理工艺也不同对于灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁、碳素钢、不锈钢等阀门来说其阀座及启闭件的密封面材料一般采用铜合金(锰黄铜、铝黄铜、铝青铜)、不锈钢和聚四氟乙烯或橡胶，在一般情况下主要通过热处理来强化密封表面，铜合金是经800(2左右加热后淬火工艺强化，不锈钢常用的热处理工艺有固溶处理、稳定化处理、除应力处理等工艺通常，阀门的密封表面处理是在保证结构及设计参数的前提下，通过热处理方法来提高强度、硬度等性能由于阀门主要是通过聚四氟乙烯材料来保证密封，通过大量的失效阀门研究分析，发现大多数以聚四氟乙烯为密封材料的阀门的失效都是由于聚四氟乙烯破坏而导致的为此必须改善密封材料或密封结构形式来提高阀门的使用寿命为了实现这一目标，科技工作者从二个方面出发，其一是从结构上考虑；提出了活塞式阀门、双渐开线阀门、旋塞式阀门、柱塞式阀门等以适应工作条件的需要；其二是从材料上考虑；提出了全陶瓷阀门、陶瓷喷涂密封面阀门、硬质薄膜沉积密封面等全新理念，其主要目的是想把陶瓷等新材料的硬度高、耐磨损，耐高温等特性应用于阀门上2阀门密封表面处理技术展望为了提高阀门的耐磨、耐腐蚀等性能，人们想到了陶瓷材料，这主要是由于陶瓷材料具有高的硬度和熔点及热化学稳定性又由于金属或金属合金在干摩擦条件下的摩擦系数和磨损率均较大，因而科技工作者又着力研究陶瓷材料的摩擦性能，发现陶瓷材料的摩擦性能在多数条件下优于金属材料随着热喷涂技术的发展，科技工作收稿日期：20040219作者简介：万宇杰(1969一)，男，湖北孝感人，讲师，主要从事工程材料、机电一体化研究82江汉大学学报(自然科学版)总第32卷者尝试用陶瓷材料强化金属表面来改善摩擦副的整体性能，从而提高系统整体可靠性热喷涂技术是利用热源将待喷涂成功覆盖在金属基体表面的有效方法之一热喷涂技术是利用热源将待喷涂的材料加热熔化或软化，靠热源自身的动力或91-1JI的气流将熔滴雾化或推动熔粒成喷射的粒束，以一定速度喷射到基体表面形成涂层的工艺方法在喷涂过程中或涂层形成后，对金属基体和涂层加热，使涂层在基体表面熔融，并和基体产生扩散或互熔，形成与基材冶金结合的喷焊层，称为热喷涂热喷涂的优点是方法多样、涂层广泛、工件不限、工艺简便通过大量资料查询，目前在阀门密封面强化陶瓷涂层的技术主要有二大类，一类是喷涂陶瓷涂层，一类是沉积涂层21喷涂陶瓷喷涂工艺是现代三大新材料中应用、发展最快的新工艺，它将是21世纪的主导技术J陶瓷喷涂是一种表面改性新工艺，它整体上是利用母体材料性能，进而提高设备性能的一项新工艺陶瓷材料硬度高、耐磨损、耐高温，但是陶瓷材料抗冲击强度低，容易脆断，在基体表面喷涂陶瓷的作用主要在于强化机械物理性能方面的功效，使得产品的硬度、断裂韧度、强度等性能得到保持和加强，使得材料的强度为基体材料所支撑