常用的輸水系統蝶閥閥瓣密封材料分析

張利波

（中國水利水電第十一工程局有限公司 河南鄭州 450000）

1 橡膠密封材料

橡膠根據原材料主要分為天然橡膠和合成橡膠兩大類，而合成橡膠根據合成成分不同又分為異戊橡膠、丁苯橡膠、順丁橡膠、氯丁橡膠、丁基橡膠、丁腈橡膠、乙丙橡膠、氯磺化聚乙烯橡膠、丙烯酸酯橡膠、聚氨酯橡膠、硅橡膠、氟橡膠、聚硫橡膠以及氯醇橡膠等等。

一般輸水管線閥門中用到比較常見的橡膠材料為：天然橡膠、丁腈橡膠、三元乙丙橡膠、氯丁橡膠、硅橡膠和氟橡膠這幾種。

1.1 天然橡膠

天然橡膠代號為NR，是采集橡膠樹或橡膠草等含膠植物中的膠汁，經去雜質、凝聚、滾壓、干燥等加工步驟而制成的，其主要化學組成成分是不飽和的橡膠烴（順式聚異戊二烯）。天然橡膠盛產于東南亞地區，原系世界橡膠工業的主要原料來源，自20世紀60年代合成橡膠迅速發展以來，它已退居次要地位，只占世界橡膠總產量（包括天然橡膠和合成橡膠）中30%左右。天然橡膠的優點是彈性大，定伸強力高，抗撕裂性和電絕緣性優良，耐磨、耐寒性好，加工性佳，易與其他材料粘合，綜合性能優于多數合成橡膠。缺點是耐氧及臭氧性差，容易老化，耐油、耐溶劑性不好，抵抗酸堿腐蝕的能力低，耐熱性不高。由于易老化和耐油脂性能差，目前市場上只有少量閥門選擇使用天然橡膠密封圈產品。

1.2 合成橡膠

合成橡膠是從石油、天然氣或煤和石灰石以及農副產品中（現在主要是從石油化工產品中）提煉某些低分子的不飽和烴作原料，制成所謂“單體”物質，然后經過復雜的化學反應而獲得的人工合成的高分子聚合物，故有人造橡膠之稱。合成橡膠不但在一系列性能上均優于天然橡膠，而且由于原料來源充沛，價格便宜；同時不受地區、氣候和時間的限制，可以按照人們的意愿進行生產，充分滿足各方面的不同需要；故自石油化學工業迅速發展以來，合成橡膠產量隨之激增，目前已大大超過了天然橡膠，成為現代橡膠工業的主要原料來源。閥門中主要使用丁腈橡膠、三元乙丙橡膠、氯丁橡膠、三元乙丙橡膠、硅橡膠和氟橡膠這幾種合成橡膠材料。

1.2.1 丁腈橡膠

丁腈橡膠代號為NBR，耐油性僅次于聚硫、丙烯酸酯及氟橡膠而優于其他通用膠，耐熱性較好，可達150℃，氣密性和耐水性良好，粘接力強，但耐寒、耐臭氧性較差，強力及彈性較低，電絕緣性不好，耐酸及耐極性溶劑性能較差。是常規淡水系統閥門中使用最多的密封材料。

1.2.2 三元乙丙橡膠

三元乙丙橡膠代號為EPDM，為密度最小、顏色最淺、成本較低的新品種特種橡膠。耐化學穩定性好（僅不耐濃硝酸），耐臭氧及耐候性優異，電絕緣性突出，耐熱可達150℃，耐極性溶劑但不耐脂肪烴及芳香烴。其他物理力學性能僅略次于天然橡膠而優于丁苯膠。缺點是硫化緩慢、粘著性差。越來越多的常規淡水系統閥門開始使用三元乙丙橡膠，同時由于其耐化學穩定性好也可在海水等特殊水介質中使用。

1.2.3 氯丁橡膠

氯丁橡膠代號為CR，有優良的抗氧、抗臭氧及耐侯性，不易燃、著火后能自熄，耐油、耐溶劑及耐酸堿性、氣密性等亦較好。主要缺點是耐寒性較差，密度較大，相對成本高，電絕緣性不好，加工時易粘輥、易焦燒及易粘膜。此外，生膠穩定性差，不易保存。產量僅次于丁苯、順丁，在合成橡膠中居第三位。氯丁橡膠主要應用于海水介質系統閥門中。

1.2.4 硅橡膠

硅橡膠代號為SR，耐高溫（可達300℃）及低溫（最低-100℃）性能突出，電絕緣性優良，對熱氧化和臭氧的穩定性高。缺點是機械強度較低，耐油、耐酸堿、耐溶劑性較差，價格較貴。一般高溫和低溫介質系統閥門選擇硅橡膠作密封件。

1.2.5 氟橡膠

氟橡膠代號為FPM，耐高溫可達300℃，耐介質腐蝕性高于其他橡膠（不怕酸堿、耐油性是橡膠中最好的），抗輻射及高真空性優良。此外，機械強度、電絕緣性、耐老化性能都很好，是性能全面的特種合成橡膠。缺點是加工性能差，價格貴。一般高溫特殊介質系統的閥門選擇氟橡膠作密封件。

2 塑料密封材料

塑料是指以樹脂（或在加工過程中用單體直接聚合）為主要成分，以增塑劑、填充劑、潤滑劑、著色劑等添加劑為輔助成分，在加工過程中能流動成型的材料。塑料的種類很多，但閥門密封件中使用的塑料密封材料主要為兩種：聚氨酯和聚四氟乙烯。塑料密封材料摩擦系數小、耐磨、耐高壓，補償性能不如橡膠，成本高，蝶閥主密封上使用較少，主要用于蝶閥閥軸的密封，可顯著降低閥軸的摩擦力。塑料密封材料一般采用專業密封件廠家提供的成形密封結構，成本通常會是橡膠密封材料的數倍以上。

2.1 聚氨酯

聚氨酯代號為PU，由多元異氰酸酯和含有羥基的低分子量聚酯或聚醚、蓖麻油等在催化劑作用下縮聚而成。柔韌、耐摩、耐油、耐化學藥品、耐氧、耐臭氧、耐低溫性能優良，有良好的機械性能，易于成型，但不耐強醇的侵蝕，工作溫度不高。

2.2 聚四氟乙烯

聚四氟乙烯代號為PTFE，是四氟乙烯的單體聚合物，俗稱“塑料王”，幾乎能耐所有化學藥品的腐蝕（包括“王水”），但受熔融堿金屬侵蝕，摩擦系數極低，不粘，不吸水，可在-180～250℃長期使用。但強度低、剛性差，冷流性大，不能注射成型，需燒結成型，價格較昂貴。

3 金屬密封材料

閥門金屬密封圈指軟密封蝶閥密封副中與橡膠圈相配合的金屬圈以及硬密封蝶閥密封副中相配合的兩個密封圈。硬密封蝶閥中的兩個密封圈通常有一個會設計成彈性結構，另一個為剛性結構，同時會采用不同的材料或相同材料處理成不同硬度來防止劃傷和磨損。蝶閥金屬密封材料主要為不銹鋼、不銹鋼復合材料以及不銹鋼表面處理等。

3.1 不銹鋼密封材料

不銹鋼是指耐空氣、蒸氣、水等弱腐蝕介質和酸、堿、鹽等化學浸蝕性介質腐蝕的鋼，又稱不銹耐酸鋼，不銹鋼根據成分可定義為含鉻量為12%以上的鐵基合金。不銹鋼按其金相顯微組織可分為鐵素體、馬氏體、奧氏體、鐵素體-奧氏體雙相鋼、奧氏體-馬氏體不銹鋼（超高強度不銹鋼）。蝶閥密封上使用的不銹鋼材料主要為馬氏體不銹鋼12Cr13和20Cr13、奧氏體不銹鋼06Cr19Ni10和06Cr17Ni12Mo2、022Cr17Ni12Mo2以及雙相不銹鋼022Cr22Ni5Mo3N等。

3.1.1 馬氏體不銹鋼

馬氏體不銹鋼含Cr12～18%，還含有一定的C和Ni等r相穩定元素，淬火冷卻時產生馬氏體金相組織，高強度和硬度是馬氏體不銹鋼的主要特征。馬氏體不銹鋼的耐蝕性、塑性、焊接性較奧氏體、鐵素體不銹鋼為差，但由于它有較好的機械性能和耐蝕性的結合，所以是機械工業中廣泛使用的一類鋼。12Cr13和20Cr13均是含Cr12～14%的馬氏體不銹鋼，兩種鋼材耐蝕性能接近，20Cr13的含碳量略高于12Cr13，有更好的強度和硬度，但韌性降低。這兩種材料一般可作為淡水介質硬密封蝶閥的彈性密封圈用，比奧氏體不銹鋼有更好的強度、剛性和硬度，缺點是耐蝕性能低于奧氏體不銹鋼。

3.1.2 奧氏體不銹鋼

奧氏體不銹鋼含Cr大于18%，還含有8%左右的Ni及少量Mo、Ti、N等元素，綜合性能好，可耐多種介質腐蝕，很多奧氏體不銹鋼也是耐熱鋼，奧氏體不銹鋼具有高的塑性，易于加工成形為各種形狀的鋼材，具有良好的焊接性能、韌性和低溫韌性、無磁性等。06Cr19Ni10美標牌號為304，是使用量最大、應用最廣泛的不銹鋼，具有良好的塑性、韌性、冷加工性和焊接性能，在氧化性酸和大氣、水、蒸汽等介質中有非常好的耐蝕性。06Cr19Ni10不銹鋼是淡水介質蝶閥密封所使用的最普遍的材料。06Cr17Ni12Mo2美標牌號為316，具有良好的耐還原性介質和耐點腐蝕能力。在海水和其他各種介質中，耐腐蝕性比06Cr19Ni10好，主要用作海水等帶有腐蝕性質介質閥門的密封材料使用。022Cr17Ni12Mo2美標牌號為316L，是06Cr17Ni12Mo2的超低碳鋼，具有更好的耐敏化態晶間腐蝕性能，力學性能比06Cr17Ni12Mo2略差，同樣作海水等帶有腐蝕性質介質閥門的密封材料使用，也可與06Cr17Ni12Mo2配合成密封副。

3.1.3 雙相不銹鋼

雙相不銹鋼是近年發展起來的新型不銹鋼，含Cr18～28%，Ni3～7%，再根據不同用途分別加入Mo、Cu、Ti、Nb、N等。已知奧氏體鋼抗應力腐蝕性能低，而鐵素體不銹鋼抗應力腐蝕能力較高，如果在奧氏體中引進鐵素體，則雙相的鐵素體—奧氏體不銹鋼將明顯地有較高的抗應力腐蝕能力。雙相鋼中奧氏體的存在降低了高Cr鐵素體鋼的脆性，提高了可焊性、韌性，降低了晶粒長大的傾向，而鐵素體的存在又提高了奧氏體鋼的屈服強度，抗晶間腐蝕能力等，雙相鋼的應用將越來越廣泛，特別是耐氯化物腐蝕的能力，其耐蝕能力超過022Cr17Ni12Mo2。雙相不銹鋼022Cr22Ni5Mo3N是在瑞典SAF2205鋼基礎上研制的，是目前世界上雙相不銹鋼中應用最普遍的鋼。對含硫化氫、二氧化碳、氯化物的環境具有阻抗性，可進行冷、熱加工及成型，焊接性良好，適用于作結構材料。在閥門應用中越來越多的用來替代奧氏體不銹鋼022Cr17Ni12Mo2等使用于耐腐蝕性質介質的材料，但雙相不銹鋼022Cr22Ni5Mo3N材料成本遠高于上述不銹鋼材料。

3.2 不銹鋼復合材料

蝶閥用不銹鋼復合材料主要是多層次不銹鋼夾柔性石墨材料，用作硬密封蝶閥彈性密封圈。柔性石墨又稱膨脹石墨，是由天然石墨鱗片經插層、水洗、干燥、高溫膨化得到的一種疏松多孔的蠕蟲狀物質。除了具有天然石墨本身的耐冷熱、耐腐蝕、自潤滑等優良性能外，還具有天然石墨所沒有的柔軟、壓縮回彈性、吸附性、生態環境協調性、生物相容性、耐輻射性等特性。

不銹鋼夾石墨后可顯著提高金屬密封圈的補償性和彈性，閥門使用初期密封效果要明顯好于金屬對金屬密封，同時蝶板與密封圈配合處靜密封不需要使用橡膠密封圈，可用于650℃以下的高溫環境。但長時間運行后石墨易脫落，密封效果會明顯下降。

3.3 不銹鋼密封面表面處理

不銹鋼密封圈特別是硬密封蝶閥，很多工況下要考慮金屬材料的劃傷和磨損問題，由于不銹鋼材料特別是奧氏體不銹鋼材料表面硬度不高、耐磨性較差，需要對不銹鋼進行表面處理來提高硬度、增加耐磨性能。蝶閥密封面主要采用滾壓、氮化、堆焊硬質合金等處理工藝。

3.3.1 表面滾壓處理

改用筒狀工具在金屬圈表面直接滾壓，在金屬表面形成致密層，增加金屬圈表面的硬度。具有工藝簡單（采用普通車床即可加工）、效率高、成本低的特點，可將奧氏體不銹鋼表面提高到320HB以上。適用于含沙量較少的常規水介質蝶閥的金屬圈處理。

3.3.2 表面氮化處理

表面氮化處理又叫滲氮處理，是在一定溫度下、一定介質中使氮原子滲入工件表層的化學熱處理工藝。鋼件滲氮后形成以氮化物為主的表面層，具有很高的硬度（1000～1100HV），且在600～650℃下保持硬度不下降，具有很高的耐磨性和熱硬性，但滲氮后容易導致不銹鋼表面耐蝕性能下降，所以這種工藝現在使用較少，適用于含沙量較少的常規淡水介質的硬密封蝶閥的金屬圈處理。

3.3.3 堆焊硬質合金處理

堆焊是采用焊接方法將具有一定性能的材料溶敷在工件表面的一種工藝過程。堆焊的目的與一般焊接方法不同，不是為了連接工件，而是對工件表面進行改性，以獲得具有耐磨性、耐熱性、耐蝕性等特殊性能的溶敷層。蝶閥堆焊材料采用D507、D507Mo、鈷基合金等。D507、D507Mo是是低氫鈉形藥皮的1Cr13閥門型堆焊焊條，堆焊金屬味1Cr13半鐵素體高鉻鋼。堆焊層具有空淬特性，堆焊金屬具有較高的中溫硬度，良好的熱穩定性和抗沖蝕性。D507、D507Mo性能較接近，D507硬度達40HRC，D507Mo硬度達38HRC，可用于密封副的配合，適用于含沙量較少的常規淡水介質的硬密封蝶閥金屬圈處理。

鈷基堆焊合金又稱司太立（Stellite）合金，以Co為主要成分，加入Cr、W、C等元素，堆焊層的金相組織是奧氏體+共晶組織。碳質量分數低時，堆焊層由呈樹枝狀晶的Co-Cr-W固溶體（奧氏體）和共晶體組成，隨著碳質量分數增加，奧氏體數量減少，共晶體增多，因此，改變碳和鎢的含量可改變堆焊合金的硬度和韌性。鈷基堆焊合金具有良好的耐各類磨損的性能。在各類堆焊合金中，鈷基合金綜合性能最好，有很高的熱硬性，抗磨料磨損、耐腐蝕、抗沖擊、抗熱疲勞、抗氧化和抗金屬間磨損性能都很好。缺點是焊接需預熱200～500℃，易形成冷裂紋和結晶裂紋，且價格很貴。適用于介質含沙量較高和高溫蝶閥的金屬圈處理。

4 結語

蝶閥是輸水系統中使用最廣泛也是最經濟的截止閥類型，特別在大口徑管道系統中有得天獨厚的優勢，根據不同的工況和介質性質選擇適當的密封材料，才能保證蝶閥具有良好的密封性能，而且質量可靠，同時具有較長的使用壽命。