閥門內件是指閥座密封面、啓閉件密封面、閥杆、上密封座以及內部小零件,不同的閥類內件的名稱,要求也不盡相同。
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,一些通用閥門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閘閥》規定了13Cr的內件密封面最低硬度爲200HB,配對密封面之間至少要有不小于50HB的硬度差,閥杆的硬度爲200~275HB,上密封座最低硬度爲250HB,有些産品沒有標准規定,就要根據具體情況進行選擇。
密封面材料(閥座和啓閉件密封面)
阀座密封面和启闭件密封面是閥門的重要工作面之一,选材是否合理以及它的质量状况直接影响閥門的功能和寿命。
1.密封面的工作條件
由于閥門用途十分广泛,因此,閥門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)腐蝕磨損金屬表面腐蝕時産生一層氧化物,這層氧化物通常覆蓋在受到腐蝕作用的部位上,這樣就能減慢對金屬的進一步腐蝕。但是,如果發生滑動的話,就會清除掉表面的氧化物,使裸露出來的金屬表面受到進一步腐蝕。
(3)表面疲勞磨損反複循環加載和卸載會使表面或表面下層産生疲勞裂紋,在表面形成碎片和凹坑,最終導致表面的破壞。
(4)沖蝕材料損壞是由銳利的粒子沖撞物體表面産生的,它與磨粒磨損相似,但表面很粗糙。
(5)擦傷擦傷是密封面相對運動的過程中,材料因摩擦引起的破壞。
2.對密封面材料的要求
理想的密封面要耐腐蝕、抗擦傷、耐沖蝕、有足夠的擠壓強度,在高溫下有足夠的抗氧化性和抗熱疲勞性,密封面材料與本體材料有相近的線脹系數,有良好的焊接性能和冷熱加工性能。
上述這些要求是理想狀態的,不可能有這樣十全十美的材料,因此,選擇材料要根據具體情況,解決主要矛盾。
3.密封面材料的種類
常用的密封面材料分爲兩大類:軟質材料和硬質材料即非金屬材料和金屬材料。
(1)軟質材料(非金屬材料) 軟質材料爲各種橡膠、尼龍、氟塑料等。具體名稱、代號、適用溫度和適用介質見表1。
序號 | 名稱 | 代號 | 適用溫度 /℃ |
抗拉強度 /MPa |
抗壓強度 /MPa |
適用介質 |
1 | 天然橡膠 | NR | -55~+70 | - | - | 鹽類、鹽酸、金屬塗層溶液、水、濕氯氣 |
2 | 氯丁橡膠 | CR | -40~+120 | - | - | 動物園、植物油、無機潤滑油、PH值變化很大的腐蝕性泥漿等 |
3 | 丁基橡膠 | HR | -40~+130 | - | - | 抗腐蝕、耐磨損、能耐絕大多數無機酸和酸液 |
4 | 丁腈橡膠 | NBR | -10~+120 | - | - | 水、油品、廢液 |
5 | 三元乙丙橡膠 | EPDM | -50~+130 | 15~25 | - | 鹽水、40%的硼水、5%~15%硝酸及氯化鈉等 |
6 | 硫磺化聚乙烯橡膠 | CSM | -30~+130 | 7~20 | - | 耐酸性好 |
7 | 矽橡膠 | SI | -100~+250 | 4~10 | - | 耐高溫、低溫、電絕緣性好、化學穩定性好 |
8 | 氟橡膠 | FPM | -10~+280 | 20~22 | - | 耐介質腐蝕優于其他橡膠、抗輻射、耐酸 |
9 | 聚四氟乙烯 | PTFE | -180~+121 | 14~25 | 12 | 耐熱、耐寒性優越、耐一般化學藥品,溶劑和幾乎所有液體 |
10 | 聚全氟乙烯 | F46 | -200~+70 | 20~25 | - | 有極好的耐化學性、耐陽光、耐候性好 |
11 | 增強聚四氟乙烯 | RPTFE | -180~+121 | 28.9 | 58.6 | 石油、含硫天然氣 |
12 | 改性聚四氟乙烯 | MOLON | -180~+150 | 75 | 140 | 油品、含硫天然氣、海水 |
13 | 改性聚四氟乙烯 | DEVLON | -180~+150 | 79~92 | 140 | 油品、含硫天然氣、海水 |
14 | 聚醚醚酮 | PEEK | -180~+150 | 93 | 130 | 油品、含硫天然氣、海水 |
15 | 對位聚苯 | ≤300 | - | - | 耐一般化學藥品、溶劑和幾乎所有液體 | |
16 | 尼龍 | NYLONG | ≤80 | 60~80 | 75.8 | 耐堿、氨、液化石油氣、天然氣 |
注:1.表中的適用溫度范围是指这类产品的一般范围,每种产品都有多种牌号,適用溫度范围也不尽相同。因此,使用场合不同,推荐的使用温度范围也不同。
2.表中的名稱是这类材料的统称,每种都有几个牌号,性能也不一样,如尼龍就有尼龍1010、尼龍6、尼龍66等,丁腈橡膠有丁腈18、丁腈26、丁腈40等,增強聚四氟乙烯有15%玻璃纤维,5%MoS2,有20%玻璃纖維,有60%PEEK2%石墨,有15%PEEK5%石墨等,選用時要注意不同牌號的性能。
3.氟塑料具有冷流傾向,即應力達到一定值時開始流動,例如聚四氟乙烯,如果在結構上沒有考慮保護措施,在一定應力下,即會産生冷流失效。
4.表中的適用介質只是推荐的,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)硬質材料(金屬材料) 硬質材料的密封面主要是各種金屬,如銅合金、不鏽鋼、硬質合金、碳化鎢等。
1)铜合金:JB/T 5300—2008《工业用閥門材料选用导则》中规定灰铸铁制閥門、可锻铸铁制閥門、球墨铸铁制閥門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、铜合金制閥門的启闭件材料有: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,適用介質温度≤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℃的碳素钢閥門,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,对于高压小口径閥門常采用棒材或锻件,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。对公称尺寸较大的閥門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),堆焊金屬爲12Crl3半鐵素體高鉻鋼,堆焊層有空淬特性,一般不需要熱處理,硬度均勻,亦可在750~800℃退火軟化,當加熱至900~1000℃空冷或油淬後可重新硬化,焊前需將工件預熱至300℃以上。焊後空冷,硬度達≥40HRC,焊後如進行不同熱處理可獲得相應硬度。
②堆507钼符合GB/T984-2001(EDCr-A2-15),堆焊金屬爲12Crl3半鐵素體高鉻鋼,有空淬特性、焊前不預熱,焊後不處理,焊後空冷,硬度達≥37HRC。
③堆577铬锰型閥門堆焊条,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關于堆焊焊條的說明
⑴D507钼和堆577两种焊条是为替代Crl3型焊条堆焊有硬度差的閥門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堆焊層的高度加工後應在5ram以上,以保證硬度和化學元素質量分數穩定。
⑶堆焊要按焊接工藝規定操作,焊接電流不可過大,以防止焊條化學元素質量分數發生變化,影響焊接質量。
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,適用溫度范围-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。
硬質合金(鑽基)焊接都要對工件預熱,焊時控制層問溫度,焊後熱處理,要根據經評定的焊接工藝施焊。
4)等離子噴焊合金粉末:等離子噴焊用合金粉末,類型有鐵基合金粉末、鎳基合金粉末、钴基合金粉末。噴焊有許多優點:省材料、質量好、易機械加工,但需要噴焊設備,焊前也作焊接工藝評定。
5)表面处理后作密封面:有些阀类的关闭件不能堆焊,如球閥的球体,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。
常用的表面處理方法有:鍍硬鉻、化學鍍鎳、鍍鎳磷合金、氮化、多元複合氮化等。
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:見表2。
材料 | 適用溫度/℃ | 硬度HRC | 適用介質 |
MONEL K-500 | -240~482 | 27~35 | 堿、鹽、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 | 鹽酸、濕HCL氣、硫酸、磷酸 |
HASTELLOY C | 538 | 24 | 強氧化性介質、鹽酸、氯化物 |
20號合金 | -253~427 | - | 氧化性介質、各種濃度硫酸 |
17-4PH | -196~425 | 40~45 | 有輕微腐蝕、沖飾場合 |
9Cr18 | -29~425 | 50~60 | 非腐蝕介質 |
(3)密封面材料的配对JB/T 308-2004《閥門型号编制方法》中第五单元为密封面材料代號:其代號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。
代號为H的配对:13Cr/13Cr、13Cr/STL、13Cr/l8-8;
代號为Y的配对:STL/STL;
代號为w的配对:W/W、W/STL。
随着閥門行业的发展,密封面的配对远不止以上这些,以上是常用的内件组合。
閥杆或閥座材料
閥杆或閥座材料常用棒材或锻件,具体材料为:
(1)中國
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)美國 ASTM A182/A182M-2008《高溫用鍛制或軋制合金鋼和不鏽鋼管法蘭 锻制配件、閥門与零部件》标准规定的钢种及化学元素质量分数、力学性能、许用应力。