使用在特殊場(chǎng)合上選用的哈氏合金鋼球閥（金屬硬密封球閥）
哈氏合金球閥技術(shù)說(shuō)明浙江摩根閥門(mén)有限公司
哈氏合金球閥適用范圍
本技術(shù)方案介紹適用于：
針對(duì)主體材料選用哈氏合金的金屬硬密封球閥的技術(shù)方案。
（要加上為什么選用球閥的原因，從結(jié)構(gòu)流道優(yōu)勢(shì)和流體力學(xué)及沖刷腐蝕入手說(shuō)明）
二、 哈氏合金球閥產(chǎn)品特點(diǎn)
浙江摩根閥門(mén)有限公司結(jié)合多年的研制與生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)管線球閥已擁有了豐富的設(shè)計(jì)與制造經(jīng)驗(yàn)，是管線球閥的專(zhuān)業(yè)制造廠商。管線球閥是我公司的主導(dǎo)產(chǎn)品之一，可靠的產(chǎn)品質(zhì)量，滿意的售后服務(wù)，使我公司先后成為了中石油、中石化的合格供應(yīng)商。在長(zhǎng)輸管線，石油、天然氣工業(yè)等領(lǐng)域得到了廣泛的運(yùn)用。
我公司設(shè)計(jì)制造的管線球閥一般分為：分體式軟密封管線球閥、分體式金屬硬密封管線球閥和全焊接管線球閥。分體式管線球閥通過(guò)高強(qiáng)度螺栓連接側(cè)體與閥體。全焊接管線球閥通過(guò)焊接方式將側(cè)體與閥體連接。球體都采用固定式結(jié)構(gòu)，閥座采用浮動(dòng)式設(shè)計(jì)。
分體式管線球閥通過(guò)螺栓連接側(cè)體與閥體，便于安裝于維修。設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)符合API 6D標(biāo)準(zhǔn)，主體材料的溫度與壓力選擇以及最小壁厚的設(shè)計(jì)符合ASTM B 16.34標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。為了保證產(chǎn)品的質(zhì)量與設(shè)計(jì)的合理性，產(chǎn)品設(shè)計(jì)利用SOLIDWORKS建立模型，用ANSYS有限元分析，并不斷優(yōu)化設(shè)計(jì)。確保了產(chǎn)品的可靠性、經(jīng)濟(jì)性以及安全性。
為更好實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的高性能，對(duì)產(chǎn)品材料的化學(xué)成分嚴(yán)格控制，零部件制造采用數(shù)控加工，并精確的尺寸檢測(cè)與嚴(yán)格的工藝要求。
本閥門(mén)具有雙向密封功能，任何一側(cè)都可以承受全壓差，截?cái)嘟橘|(zhì)，并體現(xiàn)較佳密封性能。實(shí)現(xiàn)管路的連接與切斷功能。
分體式管線球閥在閥桿與填料箱密封處設(shè)計(jì)了注脂閥，以及在閥座與側(cè)體處設(shè)計(jì)了注脂閥，起到了二次緊急密封作用，延長(zhǎng)了閥門(mén)的使用壽命。
閥門(mén)具有防火防靜電結(jié)構(gòu)，發(fā)生火災(zāi)時(shí)，閥門(mén)在大火中溫度異常升高，內(nèi)部軟密封材料被燒毀，此時(shí)，閥門(mén)金屬密封結(jié)構(gòu)起到了輔助密封作用，能夠有效的控制介質(zhì)的泄漏量。閥門(mén)防火設(shè)計(jì)完全滿足API 607的規(guī)范要求。閥門(mén)開(kāi)啟與關(guān)閉動(dòng)作過(guò)程，球體與閥座之間有相對(duì)摩擦，同時(shí)產(chǎn)生靜電，對(duì)于輸送易燃易爆介質(zhì)存在很大的潛在危險(xiǎn)。閥門(mén)防靜電結(jié)構(gòu)可以有效的將球體與閥座之間產(chǎn)生的靜電導(dǎo)出。避免了危險(xiǎn)的發(fā)生。閥門(mén)防靜電結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)符合的規(guī)定。
閥門(mén)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)可以選擇氣動(dòng)、電動(dòng)、蝸輪以及氣液聯(lián)動(dòng)或電液聯(lián)動(dòng)等。也可以按照客戶的特殊要求。
三、 哈氏合金球閥方案介紹
1、設(shè)計(jì)參數(shù)如下：
l 公稱(chēng)壓力：900Lb；（按客戶要求）
l 公稱(chēng)通徑： 2”全通徑；（按客戶要求）
l 主體材料：hastelloy C-276；
l 內(nèi)件材料： hastelloy C-276+鈷基+碳化鎢；（球閥用Hastelloy G30）
l 連接形式：按照客戶要求；
l 結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度：按照客戶要求；
l 泄漏等級(jí)：FCI 70.2 VI；
l 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)： ASME B16.34，API6D等
l 適用溫度：常溫。
2、哈氏合金球閥設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)
設(shè)計(jì)規(guī)范：設(shè)計(jì)和制造按ASME B16.34；
閥門(mén)結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度按ASME B16.10；
法蘭尺寸按ASME B16.5。
參考標(biāo)準(zhǔn)：
API 6D-2008《石油和天然氣工業(yè)管線輸送系統(tǒng)管線閥門(mén)》；
API 598-2009《閥門(mén)的檢查我和試驗(yàn)》 ；
ASTM A182- 2002a《高溫用鍛制或軋制合金鋼法蘭、鍛制管件、閥門(mén)和部件》；
ASTM A193/A-2001b《高溫用合金鋼和不銹鋼栓接材料》；
API Q1-2007《質(zhì)量綱要規(guī)范》；
NACE-MR-0175-2003 《油田設(shè)備用抗硫化物應(yīng)力腐蝕斷裂和應(yīng)力腐蝕裂紋的金屬材料》；
API 607 《閥門(mén)火燒試驗(yàn)》等。
（填上哈氏合金標(biāo)準(zhǔn)號(hào)）
3、哈氏合金球閥材料的選擇
根據(jù)氫氣特性，閥門(mén)主要部件材料選擇如下：
閥體、側(cè)蓋、：Hastelloy C-276；
球體：Hastelloy C-276+鈷基+碳化鎢；
閥座：Hastelloy C-276+鈷基+碳化鎢；（球閥用Hastelloy G30）
閥桿：XM-19；
彈簧：Inconel X-750；（這二項(xiàng)與介質(zhì)接觸，抗腐蝕能力是否可行？）
緊固件：B7+噴氟；
中法蘭密封材料：石墨+O型圈（氟橡膠）。（數(shù)據(jù)表要求在250°C下穩(wěn)定動(dòng)行，氟橡膠可行否？）
球體與閥座屬于內(nèi)件，完全暴露與介質(zhì)之中。閥座與球體之間采用金屬硬密封接觸。
閥座、球體表面采用先堆焊鈷基合金(先熱噴鈷基合金然后碳化鎢再?lài)娾捇辖�，厚度達(dá)1mm以上，重熔處理)，然后鈷基表面再采用世界上最先進(jìn)的“鎳包碳化鎢超音速熱噴涂并重熔工藝”的硬化處理。提高密封面的耐磨性和硬度及抗沖刷性。
WC是一種高硬度、高強(qiáng)度和高耐磨性兼?zhèn)涞挠操|(zhì)合金，它的粒度一般為0.2～1.0µm以下，大部分在0.5µ,m以下，具有硬質(zhì)合金的高硬度和高速鋼的強(qiáng)度。其硬度不小于HRC68，結(jié)合強(qiáng)度不小于70。
本公司生產(chǎn)的硬密封球閥，閥座、球體表面采用鎳包碳化鎢（在Ni60中加入一定比碳化鎢）超音速熱噴涂。厚度可達(dá)0.5～0.8mm。以保證密封面不受介質(zhì)及其中棵粒物的影響；降低表面的摩擦系數(shù)，提高表面抗磨損性能，它具有耐磨、減摩、耐熱、耐腐蝕、摩擦系數(shù)低、防咬合等特點(diǎn)，能改善表面性能，提高壽命。
在噴涂后工件整體進(jìn)行重熔熱處理，減少硬質(zhì)合金表面的孔隙率，提高涂層致密度，增加噴涂的硬質(zhì)合金與本體的結(jié)合力，與底材更牢固地粘結(jié),使其成為一體�？捎行У匾种屏鸭y的產(chǎn)生和擴(kuò)展，從而提高涂層的硬度和韌性，并獲得適當(dāng)?shù)挠捕?韌性比和降低殘余應(yīng)力提高密封面的硬度和耐磨性。從而具有較高的承載能力。從而大大的提高了閥門(mén)的使用受命。
（噴涂表面含球流道和閥座流道，沖刷和腐蝕共同做用下，從沒(méi)有硬化的表面開(kāi)始）
彈簧材料的選擇
為了能夠滿足工況的需求，抗氫腐蝕，同時(shí)又要有良好的機(jī)械性能，能夠提供密封所需要預(yù)緊力，因此采用了inconel X-750合金材料。
閥桿材料的選擇
閥桿的設(shè)計(jì)與球體分離，便于維修，以及更換密封材料。閥桿與球體連接傳遞最大扭矩。閥桿可以選用高強(qiáng)度的XM-19（耐腐蝕上可能不行），表面鍍ENP，提高硬度。
閥體與側(cè)體的密封材料選擇
閥體與側(cè)體之間選擇夾不銹鋼石墨纏繞墊，可以起到密封和防火功能。在閥體與側(cè)體之間增設(shè)了O型圈（諾是金屬的可以，橡膠類(lèi)O形圈可能溫度上不可以），作為一級(jí)密封。纏繞墊作為次級(jí)密封。如下圖所示：
螺栓和螺母的選擇
螺栓和螺母選用ASTM A193-B8M和ASTM A194-8M，適用溫度范圍：-29~180℃。材料符合NACE 標(biāo)準(zhǔn)要求。
4、哈氏合金球閥設(shè)計(jì)方案結(jié)構(gòu)示意圖
5、哈氏合金球閥結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
本球閥通過(guò)球體90°旋轉(zhuǎn)打開(kāi)或關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)管路的聯(lián)通與切斷功能。
閥門(mén)通過(guò)閥桿上鍵與執(zhí)行機(jī)構(gòu)（電動(dòng)、氣動(dòng)、蝸輪傳動(dòng)、液動(dòng)或氣液聯(lián)動(dòng)等）連接。執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出力矩，傳遞于閥桿，閥桿帶動(dòng)球體旋轉(zhuǎn)90°，實(shí)現(xiàn)閥門(mén)啟閉動(dòng)作。
球體與閥座圈之間的緊密貼合，以及合理的材料選擇與精密的工藝加工，決定了作為截?cái)嘟橘|(zhì)的最佳密封副匹配。
閥座后面的彈性元件提供了閥座與球體之間密封所需要的最小預(yù)緊力。同時(shí)，閥座圈的密封面設(shè)計(jì)滿足密封所需的必須比壓和許用比壓。當(dāng)閥門(mén)在環(huán)境溫度變換時(shí)，球體密封面和閥座密封面產(chǎn)生收縮或膨脹，導(dǎo)致密封效果受到影響。此時(shí)，閥座后面彈性元件起到自調(diào)節(jié)功能，將閥座調(diào)整到最佳位置，發(fā)揮了閥門(mén)最佳密封性能。閥座密封面與球體密封面長(zhǎng)期磨損的情況下，壓縮量逐漸減少，也影響了閥門(mén)的密封效果。此時(shí)，閥座后面的彈性元件與介質(zhì)的作用力將閥座推向球面，壓縮量得到了一定補(bǔ)償，閥座起到了活塞作用。此外，當(dāng)閥腔壓力過(guò)大時(shí)，為了防止中腔截壓過(guò)載的危險(xiǎn)，具有活塞作用的下游閥座，在中腔壓力下閥座被推開(kāi)脫離球面，中腔壓力得到泄放，起到了自泄壓功能。（要求壓力泄放到上游）這也是活塞閥座的另一功能。閥座的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)符合API 6D要求。
本球閥結(jié)構(gòu)屬于硬密封球閥。閥門(mén)為分體式結(jié)構(gòu)，球體與閥座從側(cè)端裝入。
閥體：采用哈氏合金鍛鋼材料�；瘜W(xué)成分和機(jī)械性能符合ASME 標(biāo)準(zhǔn)要求。
閥桿是傳遞閥門(mén)扭矩的關(guān)鍵件，閥桿表面加工的光潔度影響整個(gè)閥門(mén)的扭矩。提高閥桿表面的硬度，可以減小閥桿的磨損。為此，閥桿采用了精加工、滾壓、拋光等工藝。閥桿表面光潔度可達(dá)Ra 0.2~Ra0.4，閥桿通過(guò)鍍鎳磷工藝提高了表面硬度。
閥桿上設(shè)計(jì)了防靜電結(jié)構(gòu)，保證了球體與閥桿，以及閥桿與閥體之間的金屬連接。符合相關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求。
球體與閥座的加工是整個(gè)閥門(mén)密封性能的關(guān)鍵。球體和閥座采用鍛件材料加工而成，球面和閥座密封面先堆焊鈷基合金，然后超音速?lài)姾富旌嫌操|(zhì)合金。球體在加工中嚴(yán)格控制了球面的圓度，達(dá)到0.005mm。球體和閥座密封面噴涂層加厚。密封表面采用High velocity oxy-fuel (HVOF)超音速?lài)姾钢�，利�?/span>Spray and fuse (S&F)重熔技術(shù)，增強(qiáng)了硬質(zhì)合金與基體之間的結(jié)合力。
球體與閥座使用專(zhuān)用設(shè)備進(jìn)行配對(duì)研磨。裝配之前，再經(jīng)過(guò)技師們的手工研磨和測(cè)試，使密封面的光潔度可達(dá)0.2以上，以保證球體密封面和閥座密封面100% 接觸。從而使泄漏等級(jí)達(dá)到FCI 70-2 VI級(jí)（ASME B16.104）。
這種球面與閥座密封面材料匹配以及特殊的密封面加厚層工藝，保證了閥門(mén)長(zhǎng)壽命特點(diǎn)。
固定球閥的閥座次密封以及閥桿密封的設(shè)計(jì)，引進(jìn)了國(guó)際先進(jìn)的唇形密封座（Lipseal）。并結(jié)合了自身多年的特種閥門(mén)設(shè)計(jì)研發(fā)經(jīng)驗(yàn)，以及各類(lèi)金屬密封圈的研制經(jīng)驗(yàn)（如：金屬C型圈，空心金屬O型圈，金屬U型圈等），將其改進(jìn)，達(dá)到了更優(yōu)密封效果。我公司稱(chēng)其密封圈為：U型彈簧蓄能增壓密封圈，并向國(guó)家專(zhuān)利局申報(bào)了實(shí)用型專(zhuān)利。
浙江摩根閥門(mén)有限公司自主研發(fā)的U型彈簧蓄能增壓密封圈，采用了金屬U型圈外面包覆PTFE或PCTFE作為密封材料。取代了使用螺旋彈簧做骨架的唇形密封座（Lipseal），避免了重疊或焊接連接而導(dǎo)致的受力不均現(xiàn)象。U型彈簧蓄能增壓密封圈在不同的溫度與壓力下，經(jīng)過(guò)反復(fù)驗(yàn)證，表明受力均勻，密封良好。如下圖：
U型彈簧蓄能增壓密封圈作為閥座后次級(jí)密封，可以實(shí)現(xiàn)閥座DBB（或DIB）的功能，符合API 6D設(shè)計(jì)要求。
閥門(mén)在溫度劇烈變化中，U型彈簧蓄能增壓密封圈可以根據(jù)壓力與溫度的變化自身調(diào)節(jié)，同時(shí)還降低了閥門(mén)的扭矩。介質(zhì)的壓力結(jié)合金屬圈的彈性蓄能為密封比壓提供了最小預(yù)緊力。巧妙地結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，大大的延長(zhǎng)了閥門(mén)的使用壽命。
閥門(mén)閥桿與填料處設(shè)計(jì)多重密封組合，既設(shè)計(jì)了柔性石墨防火填料密封，又增加了U型彈簧蓄能增壓密封圈，并O型圈輔助密封。保證了閥門(mén)填料泄漏等級(jí)滿足MESC SPE 77/312微泄露試驗(yàn)。密封結(jié)構(gòu)詳見(jiàn)小樣圖。
6、執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇
分體式固定硬密封球閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以滿足客戶對(duì)不同執(zhí)行機(jī)構(gòu)的要求。
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