不銹鋼閘閥的密封副配對試驗研究

摘要：密封面是閥門最關鍵、最核心的部位，密封面質量的好壞直接決定閥門能否正常工作，并影響其使用壽命、使用效率等。在實際工況下，若要求閥門耐腐蝕，則需要采用不銹鋼密封面。現針對不銹鋼密封副配對進行了試驗研究，根據公司實際情況對試驗數據進行了分析，并提出了改善方案，不僅可以滿足用戶需求，保證密封質量，而且能保證產品的經濟性。

關鍵詞：密封副;抗擦傷性能;硬度

中圖分類號：TH134;TH140? 文獻標志碼：A? 文章編號：1671-0797（2022）03-0059-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.03.017

0? ? 引言

山東日照鋼鐵精品基地項目焦化煤氣凈化工程的煤氣主線工藝流程如下：焦爐荒煤氣→洗滌塔（預留）→橫管初冷器→電捕焦油器→煤氣鼓風機→洗萘塔→吸氨塔→終冷塔→吸苯塔→水洗塔→脫硫塔→凈煤氣去用戶。為實現上述煤氣凈化和產品回收功能，煤氣凈化裝置組成包括冷凝鼓風（包括初冷、電捕、鼓風、焦油氨水分離4個工序）、中冷油洗萘、無水氨、終冷洗苯、脫硫及硫回收、負壓粗苯蒸餾、負壓蒸氨7個單元和油庫及液氨槽區。

密封面是閥門最關鍵、最核心的部位，密封面質量的好壞直接決定閥門能否正常工作，并影響其使用壽命、使用效率等。而密封面質量的好壞主要取決于密封面的選材與制作工藝，在選材方面，需要仔細考慮以下六大因素：

（1）耐腐蝕程度。密封面選材時，一定要選擇耐腐蝕程度高的材料，而材料的耐腐蝕程度取決于其成分及化學穩定性。

（2）抗沖蝕能力。在高壓、高溫場合一定要考慮閥門密封面的抗沖蝕能力，選擇抗沖蝕能力強的材料有助于閥門的長期穩定使用。

（3）抗擦傷能力。選擇抗擦傷能力強的材料將大大延長閥門的使用壽命，特別是在開關頻次較高的場合。

（4）高溫抗氧化能力。在高溫場合，密封面選材時一定要注意材料的抗氧化能力、抗熱疲勞性、熱循環等問題，高溫條件下，對閥門密封面要求更高、更苛刻。

（5）材料的硬度。密封面的材料，必須保證在最高工作溫度下硬度不會發生大的變化，保證閥門在高溫下的密封性。

（6）閥體材料的線膨脹系數。密封面應盡量選取與閥體材料線膨脹系數接近的材料，避免在高溫環境下使用產生額外的應力引起松動，這在鑲密封圈的閥門上更需注意。

項目中的電動水封煤氣閘閥設置在冷鼓單元、脫硫單元、外線單元，密封面材料要求為不銹鋼。根據資料介紹，1Cr13與2Cr13可作為密封副配對，與相對成熟的密封副配對304與316L相比，其成本更低。在保證密封質量和節約成本的前提下，決定就現有條件進行Cr系密封副配對試驗。

本次試驗將閥體密封面選定為2Cr13，閘板密封面材質選定為3Cr13。由于Cr13系材料金相組織結構簡單，屬于回火馬氏體組織，含少量鐵素體，無其他化合物，形成不了致密的、高強度的多相化合物組織，它們形成的配對，互溶性大，粘著傾向大，因而Cr13系摩擦副在密封的時候密封面拉傷很嚴重。

1? ? 生產過程

由于密封面材料硬度接近，插板的時候易將閘板拉傷，決定對拉傷的密封面進行加熱處理。采用HBX-0.5型攜帶式布氏硬度計現場對加熱前、加熱后的硬度進行測量，結果表明，加熱后閘板密封面的硬度明顯提高，于是決定將剩余所有的閘板全部加熱。試驗表明，加熱后，密封面硬度顯著提高，抗擦傷性能也得到了改善。這種工藝能滿足閥門的密封性能，但是處理工藝不成熟，大大增加了后續的工時。

2? ? 數據獲得

在測量硬度時，由于測量誤差或取點位置的誤差，有些數值特別大或特別小，在這種情況下，將這些特殊數據舍棄，可減小對測量結果的影響。在密封面上重復測量10次，得出平均值。

3? ? 體板硬度的對比

1#閥體與1#、2#閘板配對，2#閥體與3#、4#閘板配對，3#閥體與5#、6#閘板配對，對3組密封副配對加熱前后的數據進行分析。計算各項目的平均值，將硬度（HBS）數據用柱狀圖（圖1）表示，可以一目了然地對比加熱前后體板的硬度。

由圖1可知，加熱后閘板、閥體密封面的材料硬度都明顯提高。

4? ? 硬度組合分析

對于Cr13系材料，硬度差對抗擦傷性能有顯著影響，每種摩擦副都有一個耐磨性能較好的硬度范圍。硬度對抗擦傷性能的影響主要表現為：（1）對Cr13系配對，主要是通過硬度差和硬度分配表現出來，硬度的高低對抗擦傷性能影響不是很大，不能片面地認為只要硬度越高，抗擦傷性能就越好。硬度也不能太低，要保證具備耐磨性能較好的金相組織，配對密封面的最低硬度不得小于HBS280。（2）硬度通過金相組織表現出來。將Cr13材質進行加熱處理，硬度由HBS150提高到HBS350，抗擦傷性能就大大提高。

根據數據和實際裝配可知，第三種閘板和閥體硬度組合下密封效果比較好，硬度差在HBS50～HBS60。

5? ? 定性分析Cr13材料熱處理的可行性

（1）在Cr13系4種配對中以3Cr13—2Cr13、3Cr13—1Cr13為好，18-8型（0Cr18Ni9）組成的密封副抗擦傷性能一般。文獻[1]提供了幾種配對的抗擦傷性能，如表1所示。

（2）從工藝方面看，氮化處理能顯著提高密封副的抗擦傷性能[2]。

（3）Cr13系材料耐磨性能好，但金相組織結構簡單，屬于回火馬氏體組織，含少量鐵素體，無其他化合物，形成不了致密的、高強度的多相化合物組織，它們形成的配對，互溶性大，粘著傾向大，因而Cr13系摩擦副不抗擦傷。但如果采用表面處理工藝，如表面化學處理、噴鍍、堆焊等工藝，可使摩擦副表面生成互溶性小的組織，防止粘著磨損的發生。

Cr13密封面經過加熱后，硬度和耐磨性能都大大提高，試驗表明，在工藝、設備條件成熟的情況下，應用這種匹配的密封面材料具備可行性。

6? ? 現有條件下熱處理的局限性

由于設備及工藝的局限性，此次閘板密封面熱處理只能用手工焊接炬作為火焰加熱工具，雖然這種裝置設備簡單，生產成本低廉，但是火焰溫度、速度等工藝參數較難控制，所以熱處理后表面的性能不均勻，靈活性大，很難達到要求的性能。熱處理質量主要取決于操作者的技術水平和生產經驗，冷卻介質、冷卻時間、冷卻速度也是很難控制的，難以達到工藝所要求的表面質量。因此，努力提高機械化、自動化程度，嚴格工藝要求是提高火焰加熱表面淬火質量的關鍵。

7? ? 措施改進

（1）火焰加熱溫度高、速度快、所需時間短，因而熱量由表面向內部傳播的深度淺，所以最適用于處理硬化層較淺的工件。淬火后表面清潔，無氧化、脫碳現象，同時工件的變形也較小。近年來，由于采用新型的溫度測量技術以及機械化、自動化的火焰表面淬火機床，工件的表面質量得到了保證，生產技術也不斷發展。

此次試驗使用的是火焰槍加熱，存在受熱不均勻的問題。為提高密封面淬火質量，減小變形，可設置回轉平臺或加熱工裝，增加火焰槍數量，保證受熱均勻。在熱處理過程中，如果單靠一桿加熱槍加熱，效率會很低，但是若將加熱槍的數量增加，采用特制的加熱器，則效率可顯著提高。加上如圖2所示的回轉平臺穩定旋轉，可保證熱處理表面溫度均勻，處理后表面性能均勻，并大大降低勞動強度，提高熱處理效率。

（2）溫度測量。紅外光電高溫計作為常用的高精度輻射溫度檢測器，可通過探測被測對象表面所發出的紅外輻射能量，轉化成與表面溫度相對應的電信號輸出，并對探測元件的環境溫度影響進行補償，具有測量精度高、響應速度快、性能穩定、測溫范圍廣等優點。此次試驗可采用便攜式紅外溫度計，將被測物體輻射的紅外能量轉換成溫度值直接在液晶屏上顯示出來，讀數直觀，操作簡便，其外形小巧、便于攜帶，適用于現場測溫。

（3）冷卻方式的選擇與實施。常用的冷卻方式有水冷、油冷、空冷。對比水冷和油冷，冷卻時間：因為油的冷卻速度較水慢，所以油冷的冷卻時間比水冷長;淬火硬度：水冷高，油冷低;淬火變形：水冷大，油冷小;淬火開裂傾向：水冷大，油冷小;淬硬層深度：水冷深，油冷淺;沖擊功：水冷低，油冷高;環境污染：水基本上沒有污染，廢油有污染且油煙也有污染，還存在發生燃燒的安全隱患;生產成本：水成本低，油成本高。綜合比較，可選用空冷或水冷的方式，不僅能夠滿足硬度需求，而且工藝簡便。另外，如果刀具切削不動的話，可能需要更換刀具，宜選用YW類或立方氮化硼刀具。

（4）不同硬度差的抗擦傷試驗。擦傷試驗機可模擬閘閥運動形式以測試閘閥密封面材料各種組合（配對）的抗擦傷性能。根據文獻[1]可知，摩擦副的硬度差對擦傷性能起著突出的影響作用，因而閥門密封副的硬度差選定是否得當，對閥門的使用壽命有著重要影響。就Cr13系材料來說，其抗擦傷性較好的硬度差為HRC11～HRC16。摩擦副中元件的硬度不能太低，其真實接觸應力不應超過材料的壓縮屈服極限，使摩擦副在整個摩擦過程中處于彈性狀態，才有助于延長摩擦副的壽命。可通過擦傷試驗機選取合適的摩擦副配對材料，減少生產和工藝上的重復。

（5）殘余應力的測量與消除。密封副產生的密封力將與截面殘余應力疊加，使密封面某些部位提前達到屈服強度并發展為塑性變形，如繼續增加荷載，則只有截面彈性區承受荷載的增加值，而塑性區的應力不再增加。所以，構件達到強度極限狀態時的截面應力狀態與沒有殘余應力時完全相同，即殘余應力不影響構件強度。由于密封面塑性區退出受力和發展為塑性變形，殘余應力將降低構件的剛度和穩定性。殘余應力特別是焊接殘余應力與荷載應力疊加后，常使鋼材處于二維或三維的復雜應力狀態下受力，將降低其抗沖擊斷裂和抗疲勞破壞的能力。

可采用盲孔法測殘余應力[3]，圖3所示的振動時效處理不僅能夠減小和均化殘余應力，還可提高工件的抗變形能力;振動時效還可以略微降低工件的硬度，有利于切削加工。

8? ? 結論

（1）根據測量，閘板、閥體的硬度比淬火后Cr13系材料低，但是硬度差在抗擦傷范圍內，因此也能很好地實現密封。（2）經過加熱后，Cr13系材料的硬度顯著提高，抗擦傷性能也得到了提高。因此，在目前的生產條件和技術條件下，可以運用這種密封副來降低生產成本。

[參考文獻]

[1] 陳元芳，方本孝，張洪文，等.閥門密封面配對的試驗研究[J].化工與通用機械，1980（2）：15-23.

[2] 方本孝.提高閥門密封副耐擦傷性能的研究[J].流體工程，1984（1）：10-15.

[3] 程曉宇，王曉梅.殘余應力的本質及其調整[J].全面腐蝕控制，2009，23（7）：33-35.

收稿日期：2021-11-18

作者簡介：韓曉君（1989—），女，山西介休人，碩士研究生，工程師，研究方向：閥門設計與制造。