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      控制閥材料的選擇

      文/馬興平 天津精通控制儀表技術有限公司

      控制閥是過程控制系統中由動力操作改變節流件的流通面積,,對流量、壓力、溫度、液位進行調節的裝置為了保證控制閥有效的實現這些功能,必須滿足許多條件,例如:選擇合適的控制閥類型、結構、材料等,其中材料的選擇是十分重要的一個環節。

      控制閥閥體、閥蓋材料的選擇

      當工作溫度升高時,承壓件(閥體、閥蓋)的耐壓強度會降低,因此控制閥公稱壓力的選擇不僅根據最高工作壓力,還要根據最高工作溫度,絕不是滿足公稱壓力大于工作壓力即可。例如:在火力發電系統中,高壓蒸汽的控制閥;煉抽廠催化系統介質為含有硫化氫的高溫油用控制閥一般使用溫度為425℃-560℃,普通碳鋼WCB無法滿足要求,根據最高工作溫度。需選用高溫控制閥用鉻傭鋼WC6和WC9來滿足需要。

      表1  鑄造碳鋼壓力-溫度額定值

      由表1可以看出:

      1、普通碳素鑄鋼WCB不推薦在425℃以上使用;

      2、在介質工作溫度一定時,鉻鉬鋼WC6、WC9與碳素鑄鋼WCB相比其最大允許工作壓力有較大提高,但最高工作溫度為593℃;

      3、在介質工作溫度≤425℃時鉻鉬鋼WC6、WC9的最大允許工作壓力基本相同;在介質工作溫度> 425℃時鉻鉬鋼WC9比鉻鉬鋼WC6的最大允許工作壓力有較大提高。二者的使用溫度不能超過593℃,最好控制在565℃以內,因為有些資料記款,WC9在565℃ - 593℃溫度下使用時有生成氧化皮的可能性,這個問題應引起重視。

      參考以上三點,根據介質溫度選擇材料時,為保證滿足使用功能,達到最經濟的效果,應遵循如下原則:

      1 )介質工作溫度≤425℃時采用,普通碳鋼WCB;

      2)介質工作溫度在> 425℃ - 500℃時選用鉻鉬鋼WC6或WC9;

      3)介質工作溫度在500℃ - 593℃時選用鉻鉬鋼WC9;

      4)隨著火力發電超臨界和超超臨界鍋爐的出現。蒸汽壓力和溫度均大幅度提高,上述材料已無法滿足要求。當前一般采用ASTM A182中的F9、 F91和F92。根據ASME B16.5- 2009規定,最高使用溫度可達648℃。

      表2、表3 鑄造不銹鋼壓力-溫度額定值

      表2、表3均摘自GB/T 9124-2000 《鋼制管法蘭技術條件》,其中表2為美洲公稱壓力體系,表3為歐洲公稱壓力體系,但兩表中CF8與CF8M材質的最高工作溫度下的最高工作壓力相差還是很大的。

      舉例一:Class150磅級對應公制壓力等級為PN20,高于公稱壓力等級PN16,而從表2、表3看出,當材料為鑄遣不銹鋼CF8,最高工作溫度為500℃時,Class150磅級的最大 允許工作壓力僅為0.28MPa,而PNI6的最大允許工作壓力為0.85MPa在最高工作溫度相同條件下,公稱壓力高的在高溫時允許工作壓力反而低,公稱壓力低的在高溫時允許工作壓力反而高,并且兩者相差近3倍。

      舉例二: Class600磅級對應公制公稱壓力等級為PN110,高于公稱壓力等級PN100,而由表2、表3看出,當材料為鑄造不銹鋼CF8M時,在任意工作溫度下,Class600磅級的最大允許工作壓力均低于公稱壓力PN100的最大允許工作壓力,且鑄造不銹鋼CF8和CP8M在不同工作溫度下的此值也有較大誤差。Class磅級公稱壓力中CF8和CF8M在相同工作溫度條件下,CF8M比CF8的最大允許工作壓力差出現在Class600磅級,是由5.3MPa提高到5.65MPa,只提高了6.4%,而公制公稱壓力中CP8M比CF8的最大允許工作壓力差出現在PN63壓力等級,是由3.53MPa提高到4.6MPa,提高了32%。

      同為一個國家標準,基本要求的不一致將會給設計、制造和使用單位在材料選擇中帶來一定難題。 根據以上問題,本人建議:

      1)在沒有確切試驗數據條件下,最高工作溫度下的最大允許工作壓力應選用數值較小者,以確保使用安全;

      2)建議GB/T 9124- 2000《鋼制管法蘭技術條件》修訂時,認真考慮此問題。

      控制閥閥內件材料的選擇

      閥內件是指控制閥內與介質按觸的零部件,如閥芯、閥座、閥桿、閥塞、套筒、閥座環等,不同類型的控制閥閥內件名稱也不盡相同。閥內件材料的選擇是根據承壓件材料的情況、介質特性、結構特點、閥內件所起的作用及受力情況綜合考慮的。本文主要談閥內件中密封副材料的選擇:

      密封副通常指單座閥的閥芯、閥座(閥座環);籠式閥的閥塞、套筒(閥座環);球閥的球芯、閥座;蝶閥的閥板、閥座等。密封副是控制閥主要工作面,選材是否合理以及它的質量狀況直接影響控制閥的功能和壽命。

      由于控制閥用途十分廣泛,因此控制閥的密封副工作條件差異很大。壓力可從真空至42MPa,溫度從-196℃ - 593℃,工作介質從非腐蝕性介質到各種酸堿等強腐蝕介質。從密封副受力情況看它主要是受擠壓和剪切力,從摩擦學角度看有磨粒磨損、腐蝕磨損、表面疲勞磨損、沖蝕、擦傷等。因此應根據不同工作條件選擇相適應的密封副材料。理想的密封副材料要耐腐蝕,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,與承壓件有相近似的熱膨脹系數,有良好的加工性能和焊接性能等。

      原國內聯合設計控制閥的密封副,為防止生銹一般采用304不銹鋼和316不銹鋼制造,但由于密封副材料相同,且無法硬化,在研磨過程中,極易產生擦傷(密封副在相對運動過程中,材料因摩擦引起的破壞)。在現場高溫條件運行中,籠式閥經常發生閥籠和閥塞抱死現象。為解決以上問題,在使用量大面廣的非腐蝕性介質中,盡量使用不同材料的密封副及進行硬化處理。表4列出了Fisher公司用于非腐蝕性介質的閥內件材料選配表。

      由于416不銹鋼為馬氏體不銹鋼,加工性能好,價格比304、316低很多,且能夠硬化處理。這種密封副匹配后既降低了成本,又提高了零件表面硬度,使得密封副耐磨粒磨損、表面疲勞磨損、耐沖蝕和抗擦傷能力大大提高,是國內生產企業非常值得借鑒的一種密封副材料選擇。API600 《石油和天然氣工業用栓接閥蓋的鋼制閘閥》規定: Cr13的內件密封面最低硬度為HB≥250,而密封面間最小硬度差HB50,是非??茖W的。

      為了提高控制閥的使用壽命,在保證擾腐蝕前提下,提高密封副材料的硬度,提高密封副兩個零件的硬度差,都是提高使用壽命的有效手段。為降低成本和維修方便,通常把密封副中形狀復雜。加工難度大,價值高的零件作為較硬的一方,如籠式閥的閥籠,球閥的球芯等;而另一方可采用稍微軟一些的材料制造,籠式閥的閥芯、球閥的閥座等,由于這些零件的成本較低,制造容易,可以作為維修中的易損件處理。

      為提高密封副硬度,可采用如下方法處理: .

      1)可采用堆焊司太萊硬質合金,小口徑控制閥密封副也可采用整體硬質合金壓制成型。

      2)可采用等離子噴焊密封副表面,常用的有鐵基合金粉末、鎳基合金粉末、鈷基合金粉末等。

      3)采用表面處理的方法,提高表面硬度,常用的表面處理方法有鍍硬鉻,化學鍍鎳,鍍鎳磷合金,氮化處理,滲碳化鎢等。

      4)選用熱處理后硬度提高較大的材料,如17-4PH硬化不銹鋼,416馬氏體不銹鋼等。

      控制閥填料材料的選擇

      填料材料的選擇填料是動密封的填充材料,用來填充填料函的空間,以防止介質經閥桿或填料函內壁泄漏。填料是控制閥的重要部件之一,它是防止介質外漏的關鍵。要想達到理想的密封效果,必須考慮填料的材質、結構、合理的安裝方式等。本文只討論填料的材質。

      控制閥常用填料按材質區分主要有以下幾種:

      1)聚四氟乙烯成型填料;

      2)聚四氟乙烯棒、絲、帶填料;

      3)柔性石墨環成型填料;

      4)柔性石墨與金屬編織填料;

      5)石棉填料。

      聚四氟乙烯成型填料:聚四氟乙烯成型填料一般設計成V型,多用于直行程控制閥。聚四氟乙烯具有極低的摩擦系數,是控制閥最常用的填料之一。用在普通型閥蓋中,介質溫度應控制在-18℃ -232℃,用在加長型或散熱性閥蓋中,介質溫度應控制在-101℃ -427℃,一般要求長期使用時,填料部分的溫度應控制在180℃以下,間歇使用時填料部分的溫度應控制在200℃以下,超過此溫度聚四氟乙烯填料會軟化,失去密封作用。聚四氟乙烯填料不能用于熔融狀態的堿金屬,以及高溫的氟、氟化氫等介質。

      聚四氟乙烯棒、絲、帶填料:經常發生介質由填料部分外漏現象,很多工況不允許停車檢修。使用時,將填料壓板和填料壓蓋松開,在填料壓蓋下方均勻的纏上聚四氟乙烯棒、絲、帶,再將填料壓蓋和填料壓板復位并緊固,就可有效的防止外漏。也可將聚四氟乙烯棒、絲、帶編織成矩形條當做成型填料使用。主要用于旋轉類控制閥。使用時應注意盡量用坡口連接,且每層填料的切口要錯開。聚四氟乙烯棒、絲、帶填料的使用溫度與聚四氟乙烯成型填料基本相同。

      柔性石墨環成型填料:柔性石墨環成型填料是用石墨壓制成型的,直行程與角行程控制閥大量使用。它具有密封性能好、化學惰性強、耐腐蝕等優點。柔性石墨環成型填料最大優點是可耐-196℃ - 815℃的高低溫,而且在其它零部件耐溫允許的條件下,可不采用加長型或散熱型閥蓋。柔性石墨環成型填料的缺點:一是摩擦力比聚四氟乙烯成型填料大得多:二是石墨材料很容易粘在閥桿上,使填料區產生刮癮并增加阻力引起外漏:三是柔性石墨環成型填料在王水、濃硫酸、濃硝酸等介質中不適用。

      柔性石墨與金屬編織填料:柔性石墨與金屬編織填料在直行程與角行程控制閥上均可使用。它是由銅絲、不銹鋼絲、蒙乃爾絲、因科鎳爾絲等與石墨絲編織而成的,是目前中、高檔控制閥常用填料之一。它的各項物理性能與柔性石墨環成型填料相似。由于它是由柔性石墨與金屬絲編織而成的,所以在閥桿動作時,金屬絲可以將粘附在閥桿上的石墨材料刮下來。但由于柔性石墨與金屬編織填料容易導致填料函內產生空隙,導致滲漏。因此,一般情況下是將柔性石墨與金屬編織填料與柔性石墨環成型填料配合使用。將柔性石墨環成型填料裝在兩端,中間放置柔性石墨與金屬編織填料,這樣就可將二者缺點克服,優點融合了。

      石棉填料:石棉填料密封性好、耐腐蝕、摩擦系數小于柔性石墨。石棉填料分為純石棉和復合石棉兩種,復合石棉主要是石棉與橡膠、石棉與聚四氟乙烯、棉與石墨合成的,由于復合石棉填料是由石橡與其他材料壓制成絲(繩)狀的,所以多數場合無需將控制閥解體,就可在線維修。國內外很多企業將復合石棉壓制成環狀,作為成型填料使用。

      注意事項: 

      1)由于石棉粉塵及石棉加工、制作、使用過程中對人體和環境危害極大,因此歐美國家已經明令禁止制造和使用石棉填料,產品如出口到以上國家,不許使用石棉填料。我國也正在準備出臺逐步淘汰石棉制品的政策法規。

      2)控制閥填料部分的密封,不僅取決于填料材質的選擇,填料函的尺寸精度,表面粗糙度,閥桿的尺寸精度、表面粗糙度也是影響填料密封的關鍵。

      控制閥材料的合理選用是一項非常復雜的工作,在實際應用中,應借鑒國內外先進技術,根據本企業實際情況選擇出在滿足使用功能前提下,具有良好經濟性、工藝性的材料。

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