哈氏合金球閥
哈氏合金球閥技術說明浙江摩根閥門有限公司
哈氏合金球閥適用范圍
本技術方案介紹適用于：
針對主體材料選用哈氏合金的金屬硬密封球閥的技術方案。
（要加上為什么選用球閥的原因，從結構流道優(yōu)勢和流體力學及沖刷腐蝕入手說明）
二、 哈氏合金球閥產(chǎn)品特點
浙江摩根閥門有限公司結合多年的研制與生產(chǎn)經(jīng)驗，對管線球閥已擁有了豐富的設計與制造經(jīng)驗，是管線球閥的專業(yè)制造廠商。管線球閥是我公司的主導產(chǎn)品之一，可靠的產(chǎn)品質(zhì)量，滿意的售后服務，使我公司先后成為了中石油、中石化的合格供應商。在長輸管線，石油、天然氣工業(yè)等領域得到了廣泛的運用。
我公司設計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高強度螺栓連接側體與閥體。全焊接管線球閥通過焊接方式將側體與閥體連接。球體都采用固定式結構，閥座采用浮動式設計。
分體式管線球閥通過螺栓連接側體與閥體，便于安裝于維修。設計標準符合API 6D標準，主體材料的溫度與壓力選擇以及最小壁厚的設計符合ASTM B 16.34標準規(guī)范。為了保證產(chǎn)品的質(zhì)量與設計的合理性，產(chǎn)品設計利用SOLIDWORKS建立模型，用ANSYS有限元分析，并不斷優(yōu)化設計。確保了產(chǎn)品的可靠性、經(jīng)濟性以及安全性。
為更好實現(xiàn)產(chǎn)品的高性能，對產(chǎn)品材料的化學成分嚴格控制，零部件制造采用數(shù)控加工，并精確的尺寸檢測與嚴格的工藝要求。
本閥門具有雙向密封功能，任何一側都可以承受全壓差，截斷介質(zhì)，并體現(xiàn)較佳密封性能。實現(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計了注脂閥，以及在閥座與側體處設計了注脂閥，起到了二次緊急密封作用，延長了閥門的使用壽命。
閥門具有防火防靜電結構，發(fā)生火災時，閥門在大火中溫度異常升高，內(nèi)部軟密封材料被燒毀，此時，閥門金屬密封結構起到了輔助密封作用，能夠有效的控制介質(zhì)的泄漏量。閥門防火設計完全滿足API 607的規(guī)范要求。閥門開啟與關閉動作過程，球體與閥座之間有相對摩擦，同時產(chǎn)生靜電，對于輸送易燃易爆介質(zhì)存在很大的潛在危險。閥門防靜電結構可以有效的將球體與閥座之間產(chǎn)生的靜電導出。避免了危險的發(fā)生。閥門防靜電結構設計符合的規(guī)定。
閥門的執(zhí)行機構可以選擇氣動、電動、蝸輪以及氣液聯(lián)動或電液聯(lián)動等。也可以按照客戶的特殊要求。
三、 哈氏合金球閥方案介紹
1、設計參數(shù)如下：
l 公稱壓力：900Lb；（按客戶要求）
l 公稱通徑： 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 結構長度：按照客戶要求；
l 泄漏等級：FCI 70.2 VI；
l 設計標準： ASME B16.34，API6D等
l 適用溫度：常溫。
2、哈氏合金球閥設計標準
設計規(guī)范：設計和制造按ASME B16.34；
閥門結構長度按ASME B16.10；
法蘭尺寸按ASME B16.5。
參考標準：
API 6D-2008《石油和天然氣工業(yè)管線輸送系統(tǒng)管線閥門》；
API 598-2009《閥門的檢查我和試驗》 ；
ASTM A182- 2002a《高溫用鍛制或軋制合金鋼法蘭、鍛制管件、閥門和部件》；
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 《油田設備用抗硫化物應力腐蝕斷裂和應力腐蝕裂紋的金屬材料》；
API 607 《閥門火燒試驗》等。
（填上哈氏合金標準號）
3、哈氏合金球閥材料的選擇
根據(jù)氫氣特性，閥門主要部件材料選擇如下：
閥體、側蓋、：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噴鈷基合金，厚度達1mm以上，重熔處理)，然后鈷基表面再采用世界上最先進的“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度。其硬度不小于HRC68，結合強度不小于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，能改善表面性能，提高壽命。
在噴涂后工件整體進行重熔熱處理，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)合金與本體的結合力，與底材更牢固地粘結,使其成為一體�？捎行У匾种屏鸭y的產(chǎn)生和擴展，從而提高涂層的硬度和韌性，并獲得適當?shù)挠捕?韌性比和降低殘余應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，從沒有硬化的表面開始）
彈簧材料的選擇
為了能夠滿足工況的需求，抗氫腐蝕，同時又要有良好的機械性能，能夠提供密封所需要預緊力，因此采用了inconel X-750合金材料。
閥桿材料的選擇
閥桿的設計與球體分離，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。閥桿可以選用高強度的XM-19（耐腐蝕上可能不行），表面鍍ENP，提高硬度。
閥體與側體的密封材料選擇
閥體與側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。在閥體與側體之間增設了O型圈（諾是金屬的可以，橡膠類O形圈可能溫度上不可以），作為一級密封。纏繞墊作為次級密封。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 標準要求。
4、哈氏合金球閥設計方案結構示意圖
5、哈氏合金球閥結構特點
本球閥通過球體90°旋轉打開或關閉，實現(xiàn)管路的聯(lián)通與切斷功能。
閥門通過閥桿上鍵與執(zhí)行機構（電動、氣動、蝸輪傳動、液動或氣液聯(lián)動等）連接。執(zhí)行機構輸出力矩，傳遞于閥桿，閥桿帶動球體旋轉90°，實現(xiàn)閥門啟閉動作。
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，決定了作為截斷介質(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緊力。同時，閥座圈的密封面設計滿足密封所需的必須比壓和許用比壓。當閥門在環(huán)境溫度變換時，球體密封面和閥座密封面產(chǎn)生收縮或膨脹，導致密封效果受到影響。此時，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)揮了閥門最佳密封性能。閥座密封面與球體密封面長期磨損的情況下，壓縮量逐漸減少，也影響了閥門的密封效果。此時，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償，閥座起到了活塞作用。此外，當閥腔壓力過大時，為了防止中腔截壓過載的危險，具有活塞作用的下游閥座，在中腔壓力下閥座被推開脫離球面，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。閥座的結構設計符合API 6D要求。
本球閥結構屬于硬密封球閥。閥門為分體式結構，球體與閥座從側端裝入。
閥體：采用哈氏合金鍛鋼材料�；瘜W成分和機械性能符合ASME 標準要求。
閥桿是傳遞閥門扭矩的關鍵件，閥桿表面加工的光潔度影響整個閥門的扭矩。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Ra 0.2~Ra0.4，閥桿通過鍍鎳磷工藝提高了表面硬度。
閥桿上設計了防靜電結構，保證了球體與閥桿，以及閥桿與閥體之間的金屬連接。符合相關設計標準要求。
球體與閥座的加工是整個閥門密封性能的關鍵。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，然后超音速噴焊混合硬質(zhì)合金。球體在加工中嚴格控制了球面的圓度，達到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)超音速噴焊之后，利用Spray and fuse (S&F)重熔技術，增強了硬質(zhì)合金與基體之間的結合力。
球體與閥座使用專用設備進行配對研磨。裝配之前，再經(jīng)過技師們的手工研磨和測試，使密封面的光潔度可達0.2以上，以保證球體密封面和閥座密封面100% 接觸。從而使泄漏等級達到FCI 70-2 VI級（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，保證了閥門長壽命特點。
固定球閥的閥座次密封以及閥桿密封的設計，引進了國際先進的唇形密封座（Lipseal）。并結合了自身多年的特種閥門設計研發(fā)經(jīng)驗，以及各類金屬密封圈的研制經(jīng)驗（如：金屬C型圈，空心金屬O型圈，金屬U型圈等），將其改進，達到了更優(yōu)密封效果。我公司稱其密封圈為：U型彈簧蓄能增壓密封圈，并向國家專利局申報了實用型專利。
浙江摩根閥門有限公司自主研發(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)過反復驗證，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密封，可以實現(xiàn)閥座DBB（或DIB）的功能，符合API 6D設計要求。
閥門在溫度劇烈變化中，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)，同時還降低了閥門的扭矩。介質(zhì)的壓力結合金屬圈的彈性蓄能為密封比壓提供了最小預緊力。巧妙地結構設計，大大的延長了閥門的使用壽命。
閥門閥桿與填料處設計多重密封組合，既設計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。保證了閥門填料泄漏等級滿足MESC SPE 77/312微泄露試驗。密封結構詳見小樣圖。
6、執(zhí)行機構的選擇
分體式固定硬密封球閥的結構設計，可以滿足客戶對不同執(zhí)行機構的要求。
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