使用在特殊場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)說明浙江摩根閥門有限公司
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)勢和流體力學(xué)及沖刷腐蝕入手說明）
二、 哈氏合金球閥產(chǎn)品特點(diǎn)
浙江摩根閥門有限公司結(jié)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(shè)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(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(qiáng)度螺栓連接側(cè)體與閥體。全焊接管線球閥通過焊接方式將側(cè)體與閥體連接。球體都采用固定式結(jié)構(gòu)，閥座采用浮動式設(shè)計。
分體式管線球閥通過螺栓連接側(cè)體與閥體，便于安裝于維修。設(shè)計標(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)計的合理性，產(chǎn)品設(shè)計利用SOLIDWORKS建立模型，用ANSYS有限元分析，并不斷優(yōu)化設(shè)計。確保了產(chǎn)品的可靠性、經(jīng)濟(jì)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(xué)成分嚴(yán)格控制，零部件制造采用數(shù)控加工，并精確的尺寸檢測與嚴(yán)格的工藝要求。
本閥門具有雙向密封功能，任何一側(cè)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(shè)計了注脂閥，以及在閥座與側(cè)體處設(shè)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(jié)構(gòu)，發(fā)生火災(zāi)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(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。閥門防火設(shè)計完全滿足API 607的規(guī)范要求。閥門開啟與關(guān)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(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。避免了危險的發(fā)生。閥門防靜電結(jié)構(gòu)設(shè)計符合的規(guī)定。
閥門的執(zhí)行機(jī)構(gòu)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(shè)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(jié)構(gòu)長度：按照客戶要求；
l 泄漏等級：FCI 70.2 VI；
l 設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)： ASME B16.34，API6D等
l 適用溫度：常溫。
2、哈氏合金球閥設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)
設(shè)計規(guī)范：設(shè)計和制造按ASME B16.34；
閥門結(jié)構(gòu)長度按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》；
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(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 《閥門火燒試驗》等。
（填上哈氏合金標(biāo)準(zhǔn)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(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(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(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(biāo)準(zhǔn)要求。
4、哈氏合金球閥設(shè)計方案結(jié)構(gòu)示意圖
5、哈氏合金球閥結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
本球閥通過球體90°旋轉(zhuǎn)打開或關(guān)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(jī)構(gòu)（電動、氣動、蝸輪傳動、液動或氣液聯(lián)動等）連接。執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出力矩，傳遞于閥桿，閥桿帶動球體旋轉(zhuǎn)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(yù)緊力。同時，閥座圈的密封面設(shè)計滿足密封所需的必須比壓和許用比壓。當(dāng)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(dǎo)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(bǔ)償，閥座起到了活塞作用。此外，當(dāng)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(jié)構(gòu)設(shè)計符合API 6D要求。
本球閥結(jié)構(gòu)屬于硬密封球閥。閥門為分體式結(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。
閥桿是傳遞閥門扭矩的關(guān)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(dá)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(shè)計了防靜電結(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)計標(biāo)準(zhǔn)要求。
球體與閥座的加工是整個閥門密封性能的關(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，然后超音速噴焊混合硬質(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)超音速噴焊之后，利用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。
球體與閥座使用專用設(shè)備進(jìn)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(dá)0.2以上，以保證球體密封面和閥座密封面100% 接觸。從而使泄漏等級達(dá)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(diǎn)。
固定球閥的閥座次密封以及閥桿密封的設(shè)計，引進(jìn)了國際先進(jìn)的唇形密封座（Lipseal）。并結(jié)合了自身多年的特種閥門設(shè)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(jìn)，達(dá)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(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)過反復(fù)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(shè)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(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，大大的延長了閥門的使用壽命。
閥門閥桿與填料處設(shè)計多重密封組合，既設(shè)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(jié)構(gòu)詳見小樣圖。
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，可以滿足客戶對不同執(zhí)行機(jī)構(gòu)的要求。
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