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1.概述

金屬硬(ying)密封(feng)(feng)球(qiu)(qiu)閥(fa)在(zai)石油、化(hua)工、冶金和(he)城市建設(she)中得到了廣泛的(de)(de)應用(yong)。通(tong)過(guo)選(xuan)用(yong)不(bu)同的(de)(de)材質(zhi),金屬硬(ying)密封(feng)(feng)球(qiu)(qiu)閥(fa)可以適用(yong)于水、蒸(zheng)汽、油品(pin)、硝(xiao)酸、醋酸和(he)尿素等多種介質(zhi)。通(tong)過(guo)結構(gou)上的(de)(de)優化(hua)設(she)計(ji),金屬硬(ying)密封(feng)(feng)球(qiu)(qiu)閥(fa)可以實現無(wu)摩擦(ca)和(he)低扭矩啟閉。在(zai)使(shi)用(yong)中,金屬硬(ying)密封(feng)(feng)球(qiu)(qiu)閥(fa)的(de)(de)主要(yao)失效形式是沖蝕(shi)磨損。雖然,通(tong)過(guo)表面熱處理或(huo)堆焊硬(ying)質(zhi)合金等方法能提高金屬硬(ying)密封(feng)(feng)球(qiu)(qiu)閥(fa)的(de)(de)使(shi)用(yong)壽命和(he)耐擦(ca)傷(shang)性(xing)能,但仍然不(bu)能滿足輸(shu)送鋼(gang)灰、煤粉(fen)、硅粉(fen)和(he)氧(yang)化(hua)鋁粉(fen)末等特(te)殊介質(zhi)的(de)(de)要(yao)求。如果應用(yong)超音速火焰(yan)噴涂(tu)技術處理球(qiu)(qiu)體,能在(zai)球(qiu)(qiu)體表面形成碳(tan)化(hua)物(wu)金屬陶(tao)瓷涂(tu)層,該涂(tu)層與基體結合強度可達70MPa,孔隙率<2%,具有(you)均勻致密的(de)(de)結構(gou),比較完整(zheng)的(de)(de)保持(chi)了硬(ying)質(zhi)相WC的(de)(de)特(te)性(xing),硬(ying)度>1000HV,耐磨耐蝕(shi)性(xing)能好,有(you)很好的(de)(de)機(ji)械(xie)力學性(xing)能,可以顯著改善球(qiu)(qiu)閥(fa)的(de)(de)使(shi)用(yong)性(xing)能。

2.工作原理

圖1HVO/AF超音速噴(pen)涂裝置

超(chao)音(yin)速(su)噴(pen)(pen)(pen)涂裝(zhuang)置利用煤油(you)為燃(ran)(ran)料,利用氧(yang)氣(qi)(qi)和(he)(he)(he)壓(ya)縮空氣(qi)(qi)為助燃(ran)(ran)劑,控制裝(zhuang)置將煤油(you)和(he)(he)(he)助燃(ran)(ran)劑以一(yi)定的壓(ya)力和(he)(he)(he)流量輸送到(dao)噴(pen)(pen)(pen)槍(qiang),經(jing)高(gao)性(xing)能霧化噴(pen)(pen)(pen)嘴(zui)(zui)霧化混合成液霧后(hou)噴(pen)(pen)(pen)入(ru)噴(pen)(pen)(pen)槍(qiang)燃(ran)(ran)燒室,液霧經(jing)火(huo)花塞點火(huo)燃(ran)(ran)燒后(hou)形成高(gao)溫(wen)高(gao)壓(ya)的燃(ran)(ran)氣(qi)(qi),拉(la)伐爾(er)噴(pen)(pen)(pen)槍(qiang)將其加速(su)到(dao)超(chao)音(yin)速(su)。送粉系統(tong)將噴(pen)(pen)(pen)涂粉末從(cong)拉(la)伐爾(er)噴(pen)(pen)(pen)槍(qiang)嘴(zui)(zui)的低(di)壓(ya)區送入(ru)超(chao)音(yin)速(su)射(she)流,經(jing)射(she)流加溫(wen)加速(su)后(hou)從(cong)噴(pen)(pen)(pen)槍(qiang)噴(pen)(pen)(pen)出(chu),高(gao)速(su)噴(pen)(pen)(pen)向工(gong)件表(biao)面沉(chen)積形成涂層。由于多(duo)功(gong)能超(chao)音(yin)速(su)噴(pen)(pen)(pen)涂技術可以使用氧(yang)氣(qi)(qi)和(he)(he)(he)壓(ya)縮空氣(qi)(qi)兩種助燃(ran)(ran)劑,同時具備HVOF和(he)(he)(he)HVAF的功(gong)能,焰(yan)流的速(su)度和(he)(he)(he)溫(wen)度在(zai)大的范(fan)圍(wei)內(nei)連續可調。

3.噴涂工藝

噴(pen)涂前,工件必須經過表(biao)面清(qing)潔處理和噴(pen)砂(sha)粗化(hua)處理,一般噴(pen)涂材料為WC-12Co,WC與(yu)Co的質(zhi)量百(bai)分數Wt分別為88%和12%,燒結破碎法制(zhi)造。碳(tan)化(hua)鎢(wu)在常溫下(xia)硬(ying)度較高(gao),特別是熱硬(ying)度很(hen)好(hao),至1000°C其硬(ying)度下(xia)降也很(hen)少。

圖2溫度(du)-硬度(du)曲線

通過(guo)對(dui)WC-12Co涂(tu)層(ceng)和(he)基體(ti)試樣(yang)在30?和(he)90?的(de)(de)沖(chong)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)磨損試驗(yan)對(dui)比,在30?時為基體(ti)的(de)(de)4.5倍,在90?時為基體(ti)的(de)(de)5.2倍。因其結(jie)合力強,硬(ying)度高(gao),涂(tu)層(ceng)有完整的(de)(de)耐(nai)磨顯微結(jie)構,因而抗沖(chong)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)磨損性(xing)能(neng)(neng)較(jiao)高(gao)。試驗(yan)表明,WC-12Co涂(tu)層(ceng)的(de)(de)沖(chong)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)呈部分塑性(xing)沖(chong)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)的(de)(de)特征。粘(zhan)結(jie)相(xiang)Co由于(yu)自(zi)身的(de)(de)塑性(xing)變形(xing),可以吸收(shou)部分塑性(xing)沖(chong)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)粒子的(de)(de)能(neng)(neng)量,而硬(ying)質相(xiang)WC具有抵擋沖(chong)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)粒子的(de)(de)作用,二者相(xiang)互補充,所以涂(tu)層(ceng)具有很(hen)好的(de)(de)耐(nai)沖(chong)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)磨損性(xing)能(neng)(neng)。

4.應用

在(zai)石油(you)、化工和(he)焦(jiao)(jiao)化裝置中(zhong),由于(yu)管線溫(wen)度高,介質(zhi)容(rong)易在(zai)閥門內(nei)腔和(he)密(mi)封件表(biao)面(mian)粘(zhan)(zhan)附或結焦(jiao)(jiao),普通硬密(mi)封球閥經常會出(chu)現因球體(ti)表(biao)面(mian)結焦(jiao)(jiao)而密(mi)封不嚴甚至卡塞。為(wei)此(ci),將閥座密(mi)封面(mian)結構(gou)改為(wei)帶有(you)鋒利(li)刃口(kou)的(de)刮(gua)刀形(xing),可以在(zai)閥門啟閉過程中(zhong)刮(gua)削掉(diao)球體(ti)表(biao)面(mian)的(de)粘(zhan)(zhan)附物或結焦(jiao)(jiao)層(ceng),從而保證密(mi)封副的(de)可靠密(mi)封。

刮(gua)(gua)刀式高溫(wen)(wen)金(jin)屬硬(ying)密(mi)(mi)封(feng)(feng)(feng)球(qiu)閥在(zai)試制過程中(zhong),球(qiu)體(ti)采用F304鍛(duan)件(jian),表(biao)面(mian)氮化(hua)處理以(yi)提高硬(ying)度(du)(du)(du)(du)(du)。閥座(zuo)材(cai)質(zhi)(zhi)為(wei)F304,堆焊(han)司(si)太立硬(ying)質(zhi)(zhi)合金(jin)。使(shi)(shi)(shi)用發現,在(zai)常溫(wen)(wen)狀(zhuang)態,介質(zhi)(zhi)清潔的(de)(de)情況(kuang)下,能(neng)(neng)保(bao)(bao)(bao)證可(ke)靠密(mi)(mi)封(feng)(feng)(feng),當介質(zhi)(zhi)溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)(du)升(sheng)高到400!以(yi)上(shang)(shang),由于(yu)(yu)司(si)太立合金(jin)的(de)(de)熱(re)硬(ying)性(xing)不高,球(qiu)體(ti)為(wei)表(biao)面(mian)氮化(hua)處理,耐(nai)磨(mo)性(xing)差,在(zai)刮(gua)(gua)削(xue)結焦(jiao)物的(de)(de)同時(shi)(shi),很(hen)(hen)容易損壞閥座(zuo)密(mi)(mi)封(feng)(feng)(feng)面(mian)和(he)(he)球(qiu)體(ti)表(biao)面(mian),故很(hen)(hen)難滿(man)足工(gong)況(kuang)要(yao)求。通(tong)過分析(xi),改(gai)為(wei)利(li)用超音速噴(pen)涂(tu)(tu)(tu)技術在(zai)球(qiu)體(ti)表(biao)面(mian)噴(pen)涂(tu)(tu)(tu)WC-12Co,形(xing)成(cheng)厚約(yue)0.3mm的(de)(de)耐(nai)沖蝕(shi)磨(mo)損涂(tu)(tu)(tu)層(ceng)(ceng),硬(ying)度(du)(du)(du)(du)(du)60~62HRC。閥座(zuo)密(mi)(mi)封(feng)(feng)(feng)面(mian)基體(ti)仍加(jia)工(gong)成(cheng)刮(gua)(gua)刀形(xing),在(zai)其表(biao)面(mian)也噴(pen)涂(tu)(tu)(tu)上(shang)(shang)0.3mm厚度(du)(du)(du)(du)(du)的(de)(de)涂(tu)(tu)(tu)層(ceng)(ceng)。通(tong)過改(gai)變噴(pen)涂(tu)(tu)(tu)工(gong)藝,使(shi)(shi)(shi)其涂(tu)(tu)(tu)層(ceng)(ceng)硬(ying)度(du)(du)(du)(du)(du)為(wei)55~58HRC,使(shi)(shi)(shi)閥座(zuo)密(mi)(mi)封(feng)(feng)(feng)面(mian)硬(ying)度(du)(du)(du)(du)(du)與球(qiu)體(ti)表(biao)面(mian)形(xing)成(cheng)一定的(de)(de)硬(ying)度(du)(du)(du)(du)(du)差。噴(pen)涂(tu)(tu)(tu)完(wan)成(cheng)后,球(qiu)體(ti)經金(jin)剛石磨(mo)具磨(mo)削(xue),至表(biao)面(mian)粗糙度(du)(du)(du)(du)(du)Ra0.8μm后,將閥座(zuo)密(mi)(mi)封(feng)(feng)(feng)面(mian)與球(qiu)體(ti)手工(gong)配(pei)研(yan)。配(pei)研(yan)材(cai)料(liao)采用加(jia)油(you)酸調制的(de)(de)天然金(jin)剛石粉末(粒(li)度(du)(du)(du)(du)(du)1200目),研(yan)磨(mo)密(mi)(mi)封(feng)(feng)(feng)面(mian)表(biao)面(mian)粗糙度(du)(du)(du)(du)(du)至Ra0.2μm后裝配(pei)試驗(yan)(yan),在(zai)常溫(wen)(wen)下密(mi)(mi)封(feng)(feng)(feng)可(ke)靠。利(li)用特(te)制的(de)(de)加(jia)熱(re)設備(bei),將閥門(men)加(jia)熱(re)至設計上(shang)(shang)限溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)(du)540°c后,保(bao)(bao)(bao)溫(wen)(wen)8h,操作(zuo)測試,閥門(men)啟閉靈活(huo),密(mi)(mi)封(feng)(feng)(feng)試驗(yan)(yan)正常。經過反復(fu)多(duo)次試驗(yan)(yan)后,球(qiu)面(mian)無明顯(xian)變化(hua)。由于(yu)(yu)超音速噴(pen)涂(tu)(tu)(tu)的(de)(de)WC-12Co涂(tu)(tu)(tu)層(ceng)(ceng)的(de)(de)熱(re)硬(ying)性(xing)和(he)(he)耐(nai)沖蝕(shi)磨(mo)損性(xing)能(neng)(neng)好,在(zai)使(shi)(shi)(shi)用過程中(zhong)即使(shi)(shi)(shi)溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)(du)升(sheng)高到設計上(shang)(shang)限的(de)(de)540°c以(yi)上(shang)(shang),仍能(neng)(neng)保(bao)(bao)(bao)持很(hen)(hen)好的(de)(de)耐(nai)沖蝕(shi)和(he)(he)耐(nai)擦(ca)傷性(xing)能(neng)(neng),而且,刮(gua)(gua)刀表(biao)面(mian)硬(ying)度(du)(du)(du)(du)(du)與球(qiu)面(mian)之間具有約(yue)5HRC的(de)(de)硬(ying)度(du)(du)(du)(du)(du)差。當閥座(zuo)的(de)(de)刃口(kou)刮(gua)(gua)削(xue)球(qiu)體(ti)表(biao)面(mian)的(de)(de)結焦(jiao)物時(shi)(shi)不會損壞球(qiu)體(ti)表(biao)面(mian)和(he)(he)閥座(zuo)密(mi)(mi)封(feng)(feng)(feng)面(mian),能(neng)(neng)保(bao)(bao)(bao)證密(mi)(mi)封(feng)(feng)(feng)性(xing)能(neng)(neng)和(he)(he)使(shi)(shi)(shi)用壽命。

5結語

超音速噴涂技術(shu)應用(yong)(yong)在(zai)硬密封(feng)球閥中,大大提高(gao)了閥門的(de)適(shi)用(yong)(yong)范圍和使用(yong)(yong)壽命。如選用(yong)(yong)司太(tai)立合金粉(fen)(fen)(fen)末等其他材料可以(yi)(yi)制(zhi)造出滿足不同工況要求的(de)金屬涂層。根(gen)據用(yong)(yong)戶反饋(kui)信息,使用(yong)(yong)超音速噴涂技術(shu)進行噴涂處理的(de)硬密封(feng)球閥在(zai)水(shui)、蒸汽(qi)及油(you)品(pin)等介質中使用(yong)(yong)壽命提高(gao)了約20倍(bei),在(zai)煤粉(fen)(fen)(fen)、硅粉(fen)(fen)(fen)管線等沖蝕(shi)惡劣(lie)的(de)工況下平均壽命也能提高(gao)5倍(bei)以(yi)(yi)上。