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超音速喷涂技术在硬密封球阀中的应用
- 2019-02-26-

  1。概述

  金属硬密封球阀广泛应用于石油、化工、冶金、城市建设等行业。金属硬密封球阀通过选用不同的材料,可用于水、蒸汽、油、硝酸、乙酸、尿素等介质中。通过结构优化设计,金属硬密封球阀可以实现无摩擦、低扭矩的启闭。在使用中,腐蚀磨损是金属硬密封球阀的主要失效形式。虽然金属硬密封球阀的使用寿命和耐磨性可以通过表面热处理或硬质合金来提高,但仍不能满足输送钢灰、粉煤灰、硅粉、氧化铝粉等特殊介质的要求。采用超音速喷涂技术对球体进行处理,可以在球体表面形成硬质合金陶瓷涂层。涂层与基体的结合强度可达70MPa,气孔率小于2%。涂层结构均匀致密。硬质相WC硬度在1000HV以上,耐磨、耐腐蚀性好。涂层的力学性能可以显著提高球阀的使用性能。

  2。工作原理

  超音速喷涂装置(图1)使用煤油作为燃料,氧气和压缩空气作为助燃剂。控制装置将煤油和助燃剂以一定的压力和流量传递给喷枪。高性能雾化喷嘴雾化并混合成液体喷雾,并将它们喷入喷枪燃烧室。通过火花塞点燃和燃烧液体喷射,形成高温高压气体,通过拉伐尔喷枪加速到超音速。送粉系统将拉瓦尔喷管低压区喷出的粉末送入超音速射流。射流加热加速后,从喷枪中喷出,高速沉积在工件表面。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,并具有HVOF和HVAF的功能,火焰流动的速度和温度可以在很宽的范围内连续调节。

  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)。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。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。