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阀门内件材料

来源: 上海阀门 时间: 2012-04-05 点击: 2,888

阀门内件是指阀座密封面、启闭件密封面、阀杆、上密封座以及内部小零件,不同的阀类内件的名称,要求也不尽相同。

内件材料的选择原则是根据壳体材料的情况,介质特性、结构特点、零件所起的作用以及受力情况综合考虑的,一些通用阀门标准已规定了内件材料,有的对某种零件规定了几种材料,让设计者根据具体情况选用,国外标准规定得比较详细,不仅规定材料还规定了硬度,如ISO10434:1998和ANSI/APl600-2009《石油天然气工业螺栓连接阀盖钢制闸阀》规定了13Cr的内件密封面最低硬度为200HB,配对密封面之间至少要有不小于50HB的硬度差,阀杆的硬度为200~275HB,上密封座最低硬度为250HB,有些产品没有标准规定,就要根据具体情况进行选择。

密封面材料(阀座和启闭件密封面)

阀座密封面和启闭件密封面是阀门的重要工作面之一,选材是否合理以及它的质量状况直接影响阀门的功能和寿命。

1.密封面的工作条件

由于阀门用途十分广泛,因此,阀门密封面的工作条件差异很大,工作压力可以从真空到超高压,工作温度可以从-269~816℃,有些场合工作温度可达1200℃,介质从非腐蚀性到各种酸、碱等强腐蚀性,从密封面的受力情况来看,受挤压、剪切,从摩擦学的角度来看有磨粒磨损、腐蚀磨损、表面疲劳磨损、冲蚀等。因此,应该根据不同的工作条件选择相适应的密封面材料。

(2)腐蚀磨损金属表面腐蚀时产生一层氧化物,这层氧化物通常覆盖在受到腐蚀作用的部位上,这样就能减慢对金属的进一步腐蚀。但是,如果发生滑动的话,就会清除掉表面的氧化物,使裸露出来的金属表面受到进一步腐蚀。

(3)表面疲劳磨损反复循环加载和卸载会使表面或表面下层产生疲劳裂纹,在表面形成碎片和凹坑,最终导致表面的破坏。

(4)冲蚀材料损坏是由锐利的粒子冲撞物体表面产生的,它与磨粒磨损相似,但表面很粗糙。

(5)擦伤擦伤是密封面相对运动的过程中,材料因摩擦引起的破坏。

2.对密封面材料的要求

理想的密封面要耐腐蚀、抗擦伤、耐冲蚀、有足够的挤压强度,在高温下有足够的抗氧化性和抗热疲劳性,密封面材料与本体材料有相近的线胀系数,有良好的焊接性能和冷热加工性能。

上述这些要求是理想状态的,不可能有这样十全十美的材料,因此,选择材料要根据具体情况,解决主要矛盾。

3.密封面材料的种类

常用的密封面材料分为两大类:软质材料和硬质材料即非金属材料和金属材料。

(1)软质材料(非金属材料) 软质材料为各种橡胶、尼龙、氟塑料等。具体名称、代号、适用温度和适用介质见表1。

表1-软质密封面材料
序号 名称 代号 适用温度
/℃
抗拉强度
/MPa
抗压强度
/MPa
适用介质
1 天然橡胶 NR -55~+70 - - 盐类、盐酸、金属涂层溶液、水、湿氯气
2 氯丁橡胶 CR -40~+120 - - 动物园、植物油、无机润滑油、PH值变化很大的腐蚀性泥浆等
3 丁基橡胶 HR -40~+130 - - 抗腐蚀、耐磨损、能耐绝大多数无机酸和酸液
4 丁腈橡胶 NBR -10~+120 - - 水、油品、废液
5 三元乙丙橡胶 EPDM -50~+130 15~25 - 盐水、40%的硼水、5%~15%硝酸及氯化钠等
6 硫磺化聚乙烯橡胶 CSM -30~+130 7~20 - 耐酸性好
7 硅橡胶 SI -100~+250 4~10 - 耐高温、低温、电绝缘性好、化学稳定性好
8 氟橡胶 FPM -10~+280 20~22 - 耐介质腐蚀优于其他橡胶、抗辐射、耐酸
9 聚四氟乙烯 PTFE -180~+121 14~25 12 耐热、耐寒性优越、耐一般化学药品,溶剂和几乎所有液体
10 聚全氟乙烯 F46 -200~+70 20~25 - 有极好的耐化学性、耐阳光、耐候性好
11 增强聚四氟乙烯 RPTFE -180~+121 28.9 58.6 石油、含硫天然气
12 改性聚四氟乙烯 MOLON -180~+150 75 140 油品、含硫天然气、海水
13 改性聚四氟乙烯 DEVLON -180~+150 79~92 140 油品、含硫天然气、海水
14 聚醚醚酮 PEEK -180~+150 93 130 油品、含硫天然气、海水
15 对位聚苯   ≤300 - - 耐一般化学药品、溶剂和几乎所有液体
16 尼龙 NYLONG ≤80 60~80 75.8 耐碱、氨、液化石油气、天然气

注:1.表中的适用温度范围是指这类产品的一般范围,每种产品都有多种牌号,适用温度范围也不尽相同。因此,使用场合不同,推荐的使用温度范围也不同。

2.表中的名称是这类材料的统称,每种都有几个牌号,性能也不一样,如尼龙就有尼龙1010、尼龙6、尼龙66等,丁腈橡胶有丁腈18、丁腈26、丁腈40等,增强聚四氟乙烯有15%玻璃纤维,5%MoS2,有20%玻璃纤维,有60%PEEK2%石墨,有15%PEEK5%石墨等,选用时要注意不同牌号的性能。

3.氟塑料具有冷流倾向,即应力达到一定值时开始流动,例如聚四氟乙烯,如果在结构上没有考虑保护措施,在一定应力下,即会产生冷流失效。

4.表中的适用介质只是推荐的,也是笼统的,应用时要查这些材料与某种介质相溶性数据。

(2)硬质材料(金属材料) 硬质材料的密封面主要是各种金属,如铜合金、不锈钢、硬质合金、碳化钨等。

1)铜合金:JB/T 5300—2008《工业用阀门材料选用导则》中规定灰铸铁制阀门、可锻铸铁制阀门、球墨铸铁制阀门的铜合金密封面材料牌号有:铸铝黄铜ZCuZn25A16Fe3Mn3,铸锰黄铜ZCuZn38Mn2Pb2,铸铝青铜ZCuAl9Mn2、ZCuAl9Fe4Ni4Mn2、铜合金制阀门的启闭件材料有:黄铜H62、HPb59-1,铝青铜QAL9-2、QAL9-4等。此外,还有巴氏合金(ZChPbSbl6-16-2铅锑轴承合金)等。

铜合金在水或蒸汽中的耐腐蚀性和耐磨性都较好,但硬度低、强度低,不耐氨和氯水腐蚀,适用介质温度≤250℃,但巴氏合金耐氨及氨水腐蚀,熔点低、强度低,适用于温度≤70℃、PN≤2.5MPa

2)铬不锈钢:铬不锈钢有较好的耐腐蚀性,常用于水、蒸汽、油品等非腐蚀性介质,工作温度≤425℃的碳素钢阀门,但耐擦伤性能较差,特别是在大比压的情况下使用很易擦伤,试验表明比压在20MPa以下耐擦伤性能较好,对于高压小口径阀门常采用棒材或锻件,其牌号为12Cr13、20Cr13、30Cr13制做的整体阀瓣,密封面经表面淬火(或整体淬火)其硬度值对20Cr13为41~47HRC,30Cr13为46~52HRC为宜,国外标准中如API600~2001中对13Cr密封面的硬度要求为最小250HB,硬度差50HB,材料牌号为ASTMA182/A182MF6a。对公称尺寸较大的阀门其密封面往往采用堆焊,下面介绍几种堆焊焊条。

①堆507符合GB/T984-2001(EDCr-Al-15),堆焊金属为12Crl3半铁素体高铬钢,堆焊层有空淬特性,一般不需要热处理,硬度均匀,亦可在750~800℃退火软化,当加热至900~1000℃空冷或油淬后可重新硬化,焊前需将工件预热至300℃以上。焊后空冷,硬度达≥40HRC,焊后如进行不同热处理可获得相应硬度。

②堆507钼符合GB/T984-2001(EDCr-A2-15),堆焊金属为12Crl3半铁素体高铬钢,有空淬特性、焊前不预热,焊后不处理,焊后空冷,硬度达≥37HRC。

③堆577铬锰型阀门堆焊条,符合GB/T 984-2001(EDCrMn-c-15),焊前不预热,焊后不处理,抗裂性好,硬度达≥28HRC,与堆507钼配合使用。

④关于堆焊焊条的说明

⑴D507钼和堆577两种焊条是为替代Crl3型焊条堆焊有硬度差的阀门密封面而配套研制的,D507钼堆焊金属硬度较高,用于闸板;D577堆焊金属硬度较低,用于堆焊阀体或阀座密封面,两者组成的密封面可获得良好的抗擦伤性能。

⑵堆焊层的高度加工后应在5ram以上,以保证硬度和化学元素质量分数稳定。

⑶堆焊要按焊接工艺规定操作,焊接电流不可过大,以防止焊条化学元素质量分数发生变化,影响焊接质量。

3)硬质合金:硬质合金中最常用的是钴基硬质合金,也称钴铬钨硬质合金,它的特点是耐腐蚀、耐磨、抗擦伤,特别是红硬性好,即在高温下也能够保持足够的硬度,此外,加工工艺性适中,其许用比压在80~100MPa,适用温度范围-196~650℃,特殊场合达816℃,但是,它在硫酸,高温盐酸中不耐腐蚀,在一些氯化物中也不耐腐蚀。

常用牌号:STELLITENo.6,符合AWS(美国焊接协会)ECoCr-A,中国国家标准GB/T ED-CoCr-A-03 即D802(堆802),焊前根据工件大小进行250~400℃预热,焊时控制层间温度250℃,焊后600~750℃保温1~2h后随炉缓冷或将工件置于干燥和预热的沙缸或草灰中缓冷。

其他牌号还有STELLITENo.12,符合AWS ECoCr-B,中国国家标准EDCr-B-03,即堆812,焊后硬度达≥4lHRC。

以上两种是钴基硬质合金电焊条。钴基硬质合金还有焊丝,可以进行氧一乙炔堆焊或钨极氩弧焊,牌号为STELLTENo.6焊丝,符合美国焊接协会标准AWS RCoCr-A,也相当于HSlll,常温硬度为40~46HRC。STELLTENo.12符合AWS RCoCr-B,也相当于HS112,常温硬度为44~50HRC。

硬质合金(钻基)焊接都要对工件预热,焊时控制层问温度,焊后热处理,要根据经评定的焊接工艺施焊。

4)等离子喷焊合金粉末:等离子喷焊用合金粉末,类型有铁基合金粉末、镍基合金粉末、钴基合金粉末。喷焊有许多优点:省材料、质量好、易机械加工,但需要喷焊设备,焊前也作焊接工艺评定。

5)表面处理后作密封面:有些阀类的关闭件不能堆焊,如球阀的球体,如果是cr不锈钢的球体可以通过热处理来提高表面硬度。如果是奥氏体不锈钢制作的球体,由于其表面很软,就要采用表面处理的方法来提高表面硬度。在提高硬度的同时还要考虑处理后表面的耐磨蚀性。

常用的表面处理方法有:镀硬铬、化学镀镍、镀镍磷合金、氮化、多元复合氮化等。

6)奥氏体不锈钢:奥氏体不锈钢密封面大多以本体材料作密封面。即在ASTM A351/A351M标准中的CF3、CF8、CF3M、CF8M、CF8C、CN7M和ASTM A182/A182M标准中的F304、F316、F304L、F316L等材料的阀体上直接加工出密封面,这种材料的密封面硬度较低,但抗擦伤性较好,同时耐腐蚀也能耐高温。

7)其他密封面材料:见表2。

表2-其他密封面材料
材料 适用温度/℃ 硬度HRC 适用介质
MONEL K-500 -240~482 27~35 碱、盐、食品、稀酸、氯化物
MONEL K-405 -240~482 30~38
MONEL FM60 -240~482 30~35
MONEL 400 -196~425 27~32
HASTELLOY B 371 14 盐酸、湿HCL气、硫酸、磷酸
HASTELLOY C 538 24 强氧化性介质、盐酸、氯化物
20号合金 -253~427 - 氧化性介质、各种浓度硫酸
17-4PH -196~425 40~45 有轻微腐蚀、冲饰场合
9Cr18 -29~425 50~60 非腐蚀介质

(3)密封面材料的配对JB/T 308-2004《阀门型号编制方法》中第五单元为密封面材料代号:其代号H-Crl3钢、y-硬质合金、w-阀体本身材料,并规定当两密封面材料不同时,用低硬度的材料表示。

代号为H的配对:13Cr/13Cr、13Cr/STL、13Cr/l8-8;

代号为Y的配对:STL/STL;

代号为w的配对:W/W、W/STL。

随着阀门行业的发展,密封面的配对远不止以上这些,以上是常用的内件组合。

阀杆或阀座材料

阀杆或阀座材料常用棒材或锻件,具体材料为:

(1)中国

1)碳素钢棒材或锻件的化学元素质量分数和力学性能见GB/T 699-1999《优质碳素结构钢》标准。

2)不锈钢棒材或锻件的化学元素质量分数和力学性能及许用应力GB/T 1220-2007。

(2)美国 ASTM A182/A182M-2008《高温用锻制或轧制合金钢和不锈钢管法兰 锻制配件、阀门与零部件》标准规定的钢种及化学元素质量分数、力学性能、许用应力。

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