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海綿鈦冶煉用高溫耐磨球閥的設計

文章作者:上海玉羿閥門制造有限公司 發布時間:2020-07-11 15:48:01瀏覽次數:84

一、前言

隨著工藝水平的發展,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于電力、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制開發工作,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℃,出口管道公稱直徑為DN200,公稱壓力為PN16,選用球閥,操作方式為氣動,根據工況參數要求,開展該超高溫球閥的研制開發工作。

二、問題分析

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,密封失效主要表現為內漏。原因有很多,主要有:

1)涂層材料、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,或涂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,導致密封最終失效。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

圖1 磨損的球體   下載原圖


圖2 磨損的閥座

圖2 磨損的閥座   下載原圖


高溫卡死問題,表現為操作轉矩增大,閥桿或執行器失效等。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,閥門下游管道排空,為氯化爐排渣用。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,每次工作時間為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,為有毒氣體,要求該閥門具備良好的高溫密封性能。

該閥門屬于典型的高溫、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,主要目的為避免高溫卡死問題;可靠的驅動鏈設計,提高起閉操作的安全系數;合理的密封面硬化工藝。

三、閥門設計

1. 工況參數及選型

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:介質為高溫渣料顆粒(粒徑約70μm)、氯氣和空氣;氯化爐溫度為800℃;工作壓力為0.3MPa;公稱壓力為PN16;公稱尺寸為DN200。

根據該閥門工況特點,確定該閥門的型式為:

1)主體采用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,密封閥座為本體閥座,位于流向下游。

3)加長閥桿設計,避免閥桿密封填料長期承受高溫因其填料燒蝕,降低密封效果。

4)彈性補償元件為碟簧,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)采用較安全的驅動鏈設計,按公稱壓力操作扭矩的1.5倍安全系數選擇驅動機構,并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。

2. 材質選擇

因產品為高溫閥門,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為奧氏體耐熱鋼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,閥桿選用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

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,上游閥座為浮動閥座,閥座與球體之間不密封,下游閥座整體式閥座,直接在下游側閥體上加工出球面,并做表面噴涂。

3. 設計計算

(1)基本設計最小壁厚按GB/T 12224《鋼制閥門一般要求》,并參考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,確定閥門的最小壁厚為15mm。

法蘭端按HG/T 20592《鋼制管法蘭》設計計算。

結構長度按GB/T 12221《鋼制閥門結構長度》,取457mm。

最小通道直徑按GB/T 12224《鋼制閥門一般要求》,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,并考慮加工、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桿密封等。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——介質經球體壓在下游閥座密封面上的力;

DMW——閥座密封面外徑;

DMN——閥座密封面內徑;

qMYmin——閥座預緊的最小比壓;

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——基礎密封比壓系數,對硬面材料,c=3.5;

K——介質壓力系數,對硬面材料,K=1。

(4)彈簧閥門一般采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,且為高溫工況,為降低顆粒堆積對彈簧的影響,并降低結構復雜程度,采用碟簧。

(5)轉矩驅動裝置的輸出轉矩,應大于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、閥桿與填料的摩擦轉矩、閥桿與止推墊(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倍安全系數進行選型。

四、密封副的表面噴涂及加工

1. 噴涂工藝及材料選擇

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最關鍵的技術之一,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,以及涂層材料對工藝的適用性。

涂層的制作工藝上,目前使用的主流方法有超音速噴涂、鎳基合金熱噴涂和激光熔覆技術等,其他工藝如堆焊、滲氮、滲硼和鍍鉻因為工藝穩定性、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采用。

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

超音速火焰噴涂的優點是可以噴涂超硬的涂層材料,涂層的硬度甚至可以達到74HRC以上,因此涂層具有很好的抗擦傷性能和耐磨性能。另外,超音速噴涂時,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,由于超音速噴涂主要是通過耐磨粉末涂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涂要低一些,通常結合力在68~76MPa,厚度0.2~0.5mm,因此,對于高壓球閥(如Class1 500~Class2 500的球閥)的球體,采用超音速噴涂技術其涂層在使用中有脫落的可能。

另外,超音速噴涂的設備投入較大,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。

對于超音速火焰噴涂涂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、涂層應力狀況、涂層加工性能以及涂層的均勻性等。

常用的超音速噴涂材料有: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℃,要適用于更高的溫度,通常采用碳化鉻及陶瓷等噴涂材料。

(2)鎳基合金熱噴涂鎳基合金熱噴涂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,特點為結合強度高、厚度較大(0.5~1.0mm)。

控制要點:溫度及其分布。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,難以精確、均勻地控制加熱溫度(部分廠家采用中頻感應球體加熱)。

(3)激光熔覆采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,采用該技術,球體的熱影響區很小,噴焊層的硬度比鎳基熱噴涂更高,但是噴焊效率較低,而且噴焊后的球體表面粗糙度較高,加工量較大。

該方法常用的材料為鎳基合金、鈷基合金等,對噴涂碳化鎢、碳化鉻難度較大,尤其碳化鉻,其冷卻過程中由于產生硬化相而易導致開裂。

根據工況溫度,選擇球體、閥座的密封面涂層材質為Cr3C2,噴涂方法為超音速火焰噴涂(HVOF)工藝。

2. 密封副的加工

球閥的密封副指球體和閥座,其加工步驟為車—磨—噴涂硬化—磨—配研。配研后,應檢測閥座、球體的加工結果,通常的檢測方法有:三坐標檢測、煤油滲透性檢測等(見圖4和圖5)。

圖4 三坐標檢測球體圓度

圖4 三坐標檢測球體圓度   下載原圖


圖5 球體和閥座密封面煤油檢漏

圖5 球體和閥座密封面煤油檢漏   下載原圖


五、高溫膨脹分析

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

圖6 球閥的膨脹分析

圖6 球閥的膨脹分析   下載原圖


六、閥門試驗情況

閥門裝配完成后,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。試驗合格后,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,隨后交付使用,目前已連續正常運行6個月,性能優異,滿足工況使用需求。

七、結語

主要敘述了高溫硬密封球閥設計的思路、方法問題,并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,經過樣機試制后表明,閥門的性能完全滿足工況的使用需求。


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