海綿鈦冶煉用高溫耐磨球閥的設計

隨着工藝水平的發展，閥門等工藝裝備向更高溫度、更高壓力等高參數、高性能擴展是長期的趨勢。高溫耐磨球閥多應用於電力、冶煉、石化和煤化工等國民經濟重要領域，是典型的嚴苛工況特殊閥門。根據某海綿鈦冶煉工廠產能擴建項目所需高溫耐磨球閥的研製開發工作，簡要闡述高溫耐磨球閥的設計。

根據工程工藝，某海綿鈦冶煉廠氯化爐設計溫度800℃，出口管道公稱直徑爲DN200，公稱壓力爲PN16，選用球閥，操作方式爲氣動，根據工況參數要求，開展該超高溫球閥的研製開發工作。

高溫球閥在應用中的主要問題有密封失效、高溫卡死等。

其中，密封失效主要表現爲內漏。原因有很多，主要有：

1）塗層材料、硬化工藝選擇不當和工藝穩定性差等導致表面硬度不夠高發生磨損，或塗層與基材結合強度低，發生脫落。

2）密封副配合度不高，帶來一系列問題，如顆粒堆積、操作不平穩，綜合作用下，導致密封*終失效。球閥內件（球體、閥座）的磨損失效實例如圖1和圖2所示。

圖1 磨損的球體   下載原圖

圖2 磨損的閥座   下載原圖

高溫卡死問題，表現爲操作轉矩增大，閥杆或執行器失效等。原因除了密封面已磨損外，還有間隙設置不合理，高溫下材料膨脹導致結構件之間過盈，造成轉矩異常增大。

該高溫耐磨球閥安裝在水平管道上，閥門下遊管道排空，爲氯化爐排渣用。工作時，用空氣將氯化爐中的爐渣、灰份等經過排渣管道排空，每次工作時間爲1～2h，要求該閥門具備良好的高溫操作性能。除此之外，氯化反應時，反應爐中存在大量氯氣，爲有毒氣體，要求該閥門具備良好的高溫密封性能。

該閥門屬於典型的高溫、耐磨、介質有毒的閥門。研究中應關注的關鍵問題有：合理選擇閥門的結構型式；合理的尺寸鏈設計，主要目的爲避免高溫卡死問題；可靠的驅動鏈設計，提高起閉操作的安全係數；合理的密封面硬化工藝。

按照設計輸入，設計海綿鈦冶煉廠氯化爐出口高溫球閥，工況參數如下：介質爲高溫渣料顆粒（粒徑約70μm）、氯氣和空氣；氯化爐溫度爲800℃；工作壓力爲0.3MPa；公稱壓力爲PN16；公稱尺寸爲DN200。

根據該閥門工況特點，確定該閥門的型式爲：

1）主體採用Incoloy 800H材質，其在工況溫度下具備良好的抗氧化、抗蠕變性能，能夠滿足工況使用需求。

2）單向密封浮動球閥，密封閥座爲本體閥座，位於流向下遊。

3）加長閥杆設計，避免閥杆密封填料長期承受高溫因其填料燒蝕，降低密封效果。

4）彈性補償元件爲碟簧，Incoloy X750材質，碟簧設計較大的補償量，以補償加工、裝配誤差及溫度變化導致的尺寸變化。

5）採用較安全的驅動鏈設計，按公稱壓力操作扭矩的1.5倍安全係數選擇驅動機構，並配備手動驅動裝置備用。

該高溫耐磨球閥的結構如圖3所示。

因產品爲高溫閥門，閥門選材應滿足工況溫度對材料高溫性能的要求，故閥門主體材質選用爲奧氏體耐熱鋼Incoloy 800H，因其在工況溫度下具備較高的耐高溫蠕變、抗氧化性。各零件選材如下：閥體選用Incoloy 800H，閥杆選用Incoloy 800H，球閥選用Incoloy 800H+碳化鉻，閥座選用Incoloy 800H+碳化鉻，碟簧選用Incoloy X750，螺栓選用ASTM A648 Gr.660，螺母選用ASTM A194 8M。

圖3 高溫耐磨球閥結構示意   下載原圖

操作方式：氣動，加裝快排閥以提高關閉速度。

結構特點：兩體式浮動球閥，用碟簧施加預緊密封力，上遊閥座爲浮動閥座，閥座與球體之間不密封，下遊閥座整體式閥座，直接在下遊側閥體上加工出球面，並做表面噴塗。

(1）基本設計*小壁厚按GB/T 12224《鋼製閥門一般要求》，並參考ASME B16.34《法蘭、螺紋和焊接端連接的閥門》3.15組材料的溫度壓力額定值，確定閥門的*小壁厚爲15mm。

法蘭端按HG/T 20592《鋼製管法蘭》設計計算。

結構長度按GB/T 12221《鋼製閥門結構長度》，取457mm。

*小通道直徑按GB/T 12224《鋼製閥門一般要求》，取200mm。

(2）球體球體通道直徑按閥門通道直徑，球體直徑按式（1）計算，並考慮加工、工況等特點適當增大，取320mm。

式中D——球體直徑；

d——流體通道直徑；

bM——密封面寬度。

(3）密封密封設計應滿足密封條件。密封部位包含閥座密封，即閥門主密封、閥座與閥體密封、閥體連接密封以及閥杆密封等。現僅介紹主密封的計算，如式（2）～式（12）所示。

式中q——密封面上的密封比壓；

N——密封面上的法向力；

AMH——密封環帶面積；

qmin——必需密封比壓；

[q]——密封面材料的許用比壓。

式中FMZ——閥座密封圈的總作用力；

FMY——彈簧對閥座的預緊力；

FMJ——介質經球體壓在下遊閥座密封面上的力；

DMW——閥座密封面外徑；

DMN——閥座密封面內徑；

qMYmin——閥座預緊的*小比壓；

p——介質壓力；

R——球體半徑；

L1——球體中心至密封面內徑的距離；

L2——球體中心至密封面外徑的距離；

α——密封中徑方向與通徑軸向的夾角；

c——基礎密封比壓係數，對硬麪材料，c=3.5;

K——介質壓力系數，對硬麪材料，K=1。

(4）彈簧閥門一般採用的彈簧有圓柱彈簧、碟形彈簧等。本工況介質含爐渣等顆粒物，且爲高溫工況，爲降低顆粒堆積對彈簧的影響，並降低結構複雜程度，採用碟簧。

(5）轉矩驅動裝置的輸出轉矩，應大於閥門起閉動作時的摩擦轉矩，對浮動球閥其組成有：球體/閥座密封面的摩擦轉矩、閥杆與填料的摩擦轉矩、閥杆與止推墊（平面軸承）的摩擦轉矩等。

球體/閥座密封的摩擦轉矩，包含進口端閥座和出口端閥座密封面的摩擦轉矩。

(6）驅動裝置按公稱壓力操作轉矩的1.5倍安全係數進行選型。

球體及閥座密封面的耐磨材料和工藝是金屬硬密封耐磨球閥*關鍵的技術之一，密封面耐磨材料及工藝的選用需要考慮使用工況的壓力、溫度、腐蝕性和介質硬度等因素。此外，還需要考慮密封面耐磨材料與基體材料的結合強度、耐磨層的厚度、硬度和孔隙率等多種因素，以及塗層材料對工藝的適用性。

塗層的製作工藝上，目前使用的主流方法有超音速噴塗、鎳基合金熱噴塗和激光熔覆技術等，其他工藝如堆焊、滲氮、滲硼和鍍鉻因爲工藝穩定性、效率、硬化層均勻性、硬度、硬化層厚度等方面存在不足，高溫硬密封球閥基本不採用。

(1）超音速火焰噴塗超音速火焰噴塗（HVOF）主要是通過極高的速度將耐磨粉末塗層材料噴塗到基體材料表面。噴塗時的氣流速度在很大程度上決定了噴塗的質量。噴槍能夠產生更高的氣流速度，則耐磨粉末塗層就能夠獲得更高的運動速度，從而耐磨粉末塗層與基體材料就能夠獲得更高的結合力和更高的緻密性，因此也就具有更好的耐磨性能和耐腐蝕性能。

超音速火焰噴塗的優點是可以噴塗超硬的塗層材料，塗層的硬度甚至可以達到74HRC以上，因此塗層具有很好的抗擦傷性能和耐磨性能。另外，超音速噴塗時，基體材料不需要進行高溫加熱，因此基體材料不會發生熱變形。但是，由於超音速噴塗主要是通過耐磨粉末塗層與基體材料的高速撞擊而產生物理結合，結合強度比鎳基合金的熱噴塗要低一些，通常結合力在68～76MPa，厚度0.2～0.5mm，因此，對於高壓球閥（如Class1 500～Class2 500的球閥）的球體，採用超音速噴塗技術其塗層在使用中有脫落的可能。

另外，超音速噴塗的設備投入較大，約60萬～90萬元，包含空氣壓縮機、送粉系統、控制系統、噴槍和輔助設備等部分。

對於超音速火焰噴塗塗層的性能主要有以下幾個方面的指標：孔隙率、氧化物含量、顯微硬度、結合強度、金相結構、塗層應力狀況、塗層加工性能以及塗層的均勻性等。

常用的超音速噴塗材料有：碳化鎢鈷、碳化鎢鈷鉻、鎳基合金、碳化鉻和陶瓷等。碳化鎢鈷及碳化鎢鈷鉻的使用溫度一般不超過540℃，要適用於更高的溫度，通常採用碳化鉻及陶瓷等噴塗材料。

(2）鎳基合金熱噴塗鎳基合金熱噴塗在硬密封球閥上成功成熟。主要使用Ni55、Ni60、Ni60+WC25%等，鎳是主要成分，也是耐磨材料與基體材料的黏合劑，包括鎳、鉻、硼和硅，硬度可達55～60HRC。

高溫加熱基體及鎳基合金材料，使耐磨材料與基體達到冶金結合，特點爲結合強度高、厚度較大（0.5～1.0mm）。

控制要點：溫度及其分佈。溫度過低，不能真正實現冶金結合，易脫落；溫度過高，造成鎳基合金的熔化流失。此外，大口徑球體，各部位壁厚不一，難以**、均勻地控制加熱溫度（部分廠家採用中頻感應球體加熱）。

(3）激光熔覆採用激光熔覆技術進行球體表面的合金噴焊也具有很好的效果，採用該技術，球體的熱影響區很小，噴焊層的硬度比鎳基熱噴塗更高，但是噴焊效率較低，而且噴焊後的球體表面粗糙度較高，加工量較大。

該方法常用的材料爲鎳基合金、鈷基合金等，對噴塗碳化鎢、碳化鉻難度較大，尤其碳化鉻，其冷卻過程中由於產生硬化相而易導致開裂。

根據工況溫度，選擇球體、閥座的密封面塗層材質爲Cr3C2，噴塗方法爲超音速火焰噴塗（HVOF）工藝。

球閥的密封副指球體和閥座，其加工步驟爲車—磨—噴塗硬化—磨—配研。配研後，應檢測閥座、球體的加工結果，通常的檢測方法有：三座標檢測、煤油滲透性檢測等（見圖4和圖5）。

圖4 三座標檢測球體圓度   下載原圖

圖5 球體和閥座密封面煤油檢漏   下載原圖

設計初步完成後，對所設計的高溫球閥進行虛擬裝配、幹涉檢查和高溫膨脹分析，以避免設計階段出錯，並確定滿足高溫狀態的配合間隙，保證高溫膨脹後部件之間不發生幹涉（見圖6）。

圖6 球閥的膨脹分析   下載原圖

閥門裝配完成後，按照試驗GB/T 26480《閥門的檢驗和試驗》進行壓力試驗，按照JB/T 8861《球閥靜壓壽命試驗規程》進行常溫10 000次壽命試驗。試驗合格後，進行高溫密封試驗和高溫動作試驗，檢測閥門高溫使用性能，均滿足要求，隨後交付使用，目前已連續正常運行6個月，性能優異，滿足工況使用需求。

主要敘述了高溫硬密封球閥設計的思路、方法問題，並結合海綿鈦裝置冶煉爐出口用高溫硬密封球閥的工況需求，進行了設計實踐，經過樣機試製後表明，閥門的性能完全滿足工況的使用需求。