常用的输水系统蝶阀阀瓣密封材料分析

张利波

（中国水利水电第十一工程局有限公司 河南郑州 450000）

1 橡胶密封材料

橡胶根据原材料主要分为天然橡胶和合成橡胶两大类，而合成橡胶根据合成成分不同又分为异戊橡胶、丁苯橡胶、顺丁橡胶、氯丁橡胶、丁基橡胶、丁腈橡胶、乙丙橡胶、氯磺化聚乙烯橡胶、丙烯酸酯橡胶、聚氨酯橡胶、硅橡胶、氟橡胶、聚硫橡胶以及氯醇橡胶等等。

一般输水管线阀门中用到比较常见的橡胶材料为：天然橡胶、丁腈橡胶、三元乙丙橡胶、氯丁橡胶、硅橡胶和氟橡胶这几种。

1.1 天然橡胶

天然橡胶代号为NR，是采集橡胶树或橡胶草等含胶植物中的胶汁，经去杂质、凝聚、滚压、干燥等加工步骤而制成的，其主要化学组成成分是不饱和的橡胶烃（顺式聚异戊二烯）。天然橡胶盛产于东南亚地区，原系世界橡胶工业的主要原料来源，自20世纪60年代合成橡胶迅速发展以来，它已退居次要地位，只占世界橡胶总产量（包括天然橡胶和合成橡胶）中30%左右。天然橡胶的优点是弹性大，定伸强力高，抗撕裂性和电绝缘性优良，耐磨、耐寒性好，加工性佳，易与其他材料粘合，综合性能优于多数合成橡胶。缺点是耐氧及臭氧性差，容易老化，耐油、耐溶剂性不好，抵抗酸碱腐蚀的能力低，耐热性不高。由于易老化和耐油脂性能差，目前市场上只有少量阀门选择使用天然橡胶密封圈产品。

1.2 合成橡胶

合成橡胶是从石油、天然气或煤和石灰石以及农副产品中（现在主要是从石油化工产品中）提炼某些低分子的不饱和烃作原料，制成所谓“单体”物质，然后经过复杂的化学反应而获得的人工合成的高分子聚合物，故有人造橡胶之称。合成橡胶不但在一系列性能上均优于天然橡胶，而且由于原料来源充沛，价格便宜；同时不受地区、气候和时间的限制，可以按照人们的意愿进行生产，充分满足各方面的不同需要；故自石油化学工业迅速发展以来，合成橡胶产量随之激增，目前已大大超过了天然橡胶，成为现代橡胶工业的主要原料来源。阀门中主要使用丁腈橡胶、三元乙丙橡胶、氯丁橡胶、三元乙丙橡胶、硅橡胶和氟橡胶这几种合成橡胶材料。

1.2.1 丁腈橡胶

丁腈橡胶代号为NBR，耐油性仅次于聚硫、丙烯酸酯及氟橡胶而优于其他通用胶，耐热性较好，可达150℃，气密性和耐水性良好，粘接力强，但耐寒、耐臭氧性较差，强力及弹性较低，电绝缘性不好，耐酸及耐极性溶剂性能较差。是常规淡水系统阀门中使用最多的密封材料。

1.2.2 三元乙丙橡胶

三元乙丙橡胶代号为EPDM，为密度最小、颜色最浅、成本较低的新品种特种橡胶。耐化学稳定性好（仅不耐浓硝酸），耐臭氧及耐候性优异，电绝缘性突出，耐热可达150℃，耐极性溶剂但不耐脂肪烃及芳香烃。其他物理力学性能仅略次于天然橡胶而优于丁苯胶。缺点是硫化缓慢、粘着性差。越来越多的常规淡水系统阀门开始使用三元乙丙橡胶，同时由于其耐化学稳定性好也可在海水等特殊水介质中使用。

1.2.3 氯丁橡胶

氯丁橡胶代号为CR，有优良的抗氧、抗臭氧及耐侯性，不易燃、着火后能自熄，耐油、耐溶剂及耐酸碱性、气密性等亦较好。主要缺点是耐寒性较差，密度较大，相对成本高，电绝缘性不好，加工时易粘辊、易焦烧及易粘膜。此外，生胶稳定性差，不易保存。产量仅次于丁苯、顺丁，在合成橡胶中居第三位。氯丁橡胶主要应用于海水介质系统阀门中。

1.2.4 硅橡胶

硅橡胶代号为SR，耐高温（可达300℃）及低温（最低-100℃）性能突出，电绝缘性优良，对热氧化和臭氧的稳定性高。缺点是机械强度较低，耐油、耐酸碱、耐溶剂性较差，价格较贵。一般高温和低温介质系统阀门选择硅橡胶作密封件。

1.2.5 氟橡胶

氟橡胶代号为FPM，耐高温可达300℃，耐介质腐蚀性高于其他橡胶（不怕酸碱、耐油性是橡胶中最好的），抗辐射及高真空性优良。此外，机械强度、电绝缘性、耐老化性能都很好，是性能全面的特种合成橡胶。缺点是加工性能差，价格贵。一般高温特殊介质系统的阀门选择氟橡胶作密封件。

2 塑料密封材料

塑料是指以树脂（或在加工过程中用单体直接聚合）为主要成分，以增塑剂、填充剂、润滑剂、着色剂等添加剂为辅助成分，在加工过程中能流动成型的材料。塑料的种类很多，但阀门密封件中使用的塑料密封材料主要为两种：聚氨酯和聚四氟乙烯。塑料密封材料摩擦系数小、耐磨、耐高压，补偿性能不如橡胶，成本高，蝶阀主密封上使用较少，主要用于蝶阀阀轴的密封，可显著降低阀轴的摩擦力。塑料密封材料一般采用专业密封件厂家提供的成形密封结构，成本通常会是橡胶密封材料的数倍以上。

2.1 聚氨酯

聚氨酯代号为PU，由多元异氰酸酯和含有羟基的低分子量聚酯或聚醚、蓖麻油等在催化剂作用下缩聚而成。柔韧、耐摩、耐油、耐化学药品、耐氧、耐臭氧、耐低温性能优良，有良好的机械性能，易于成型，但不耐强醇的侵蚀，工作温度不高。

2.2 聚四氟乙烯

聚四氟乙烯代号为PTFE，是四氟乙烯的单体聚合物，俗称“塑料王”，几乎能耐所有化学药品的腐蚀（包括“王水”），但受熔融碱金属侵蚀，摩擦系数极低，不粘，不吸水，可在-180～250℃长期使用。但强度低、刚性差，冷流性大，不能注射成型，需烧结成型，价格较昂贵。

3 金属密封材料

阀门金属密封圈指软密封蝶阀密封副中与橡胶圈相配合的金属圈以及硬密封蝶阀密封副中相配合的两个密封圈。硬密封蝶阀中的两个密封圈通常有一个会设计成弹性结构，另一个为刚性结构，同时会采用不同的材料或相同材料处理成不同硬度来防止划伤和磨损。蝶阀金属密封材料主要为不锈钢、不锈钢复合材料以及不锈钢表面处理等。

3.1 不锈钢密封材料

不锈钢是指耐空气、蒸气、水等弱腐蚀介质和酸、碱、盐等化学浸蚀性介质腐蚀的钢，又称不锈耐酸钢，不锈钢根据成分可定义为含铬量为12%以上的铁基合金。不锈钢按其金相显微组织可分为铁素体、马氏体、奥氏体、铁素体-奥氏体双相钢、奥氏体-马氏体不锈钢（超高强度不锈钢）。蝶阀密封上使用的不锈钢材料主要为马氏体不锈钢12Cr13和20Cr13、奥氏体不锈钢06Cr19Ni10和06Cr17Ni12Mo2、022Cr17Ni12Mo2以及双相不锈钢022Cr22Ni5Mo3N等。

3.1.1 马氏体不锈钢

马氏体不锈钢含Cr12～18%，还含有一定的C和Ni等r相稳定元素，淬火冷却时产生马氏体金相组织，高强度和硬度是马氏体不锈钢的主要特征。马氏体不锈钢的耐蚀性、塑性、焊接性较奥氏体、铁素体不锈钢为差，但由于它有较好的机械性能和耐蚀性的结合，所以是机械工业中广泛使用的一类钢。12Cr13和20Cr13均是含Cr12～14%的马氏体不锈钢，两种钢材耐蚀性能接近，20Cr13的含碳量略高于12Cr13，有更好的强度和硬度，但韧性降低。这两种材料一般可作为淡水介质硬密封蝶阀的弹性密封圈用，比奥氏体不锈钢有更好的强度、刚性和硬度，缺点是耐蚀性能低于奥氏体不锈钢。

3.1.2 奥氏体不锈钢

奥氏体不锈钢含Cr大于18%，还含有8%左右的Ni及少量Mo、Ti、N等元素，综合性能好，可耐多种介质腐蚀，很多奥氏体不锈钢也是耐热钢，奥氏体不锈钢具有高的塑性，易于加工成形为各种形状的钢材，具有良好的焊接性能、韧性和低温韧性、无磁性等。06Cr19Ni10美标牌号为304，是使用量最大、应用最广泛的不锈钢，具有良好的塑性、韧性、冷加工性和焊接性能，在氧化性酸和大气、水、蒸汽等介质中有非常好的耐蚀性。06Cr19Ni10不锈钢是淡水介质蝶阀密封所使用的最普遍的材料。06Cr17Ni12Mo2美标牌号为316，具有良好的耐还原性介质和耐点腐蚀能力。在海水和其他各种介质中，耐腐蚀性比06Cr19Ni10好，主要用作海水等带有腐蚀性质介质阀门的密封材料使用。022Cr17Ni12Mo2美标牌号为316L，是06Cr17Ni12Mo2的超低碳钢，具有更好的耐敏化态晶间腐蚀性能，力学性能比06Cr17Ni12Mo2略差，同样作海水等带有腐蚀性质介质阀门的密封材料使用，也可与06Cr17Ni12Mo2配合成密封副。

3.1.3 双相不锈钢

双相不锈钢是近年发展起来的新型不锈钢，含Cr18～28%，Ni3～7%，再根据不同用途分别加入Mo、Cu、Ti、Nb、N等。已知奥氏体钢抗应力腐蚀性能低，而铁素体不锈钢抗应力腐蚀能力较高，如果在奥氏体中引进铁素体，则双相的铁素体—奥氏体不锈钢将明显地有较高的抗应力腐蚀能力。双相钢中奥氏体的存在降低了高Cr铁素体钢的脆性，提高了可焊性、韧性，降低了晶粒长大的倾向，而铁素体的存在又提高了奥氏体钢的屈服强度，抗晶间腐蚀能力等，双相钢的应用将越来越广泛，特别是耐氯化物腐蚀的能力，其耐蚀能力超过022Cr17Ni12Mo2。双相不锈钢022Cr22Ni5Mo3N是在瑞典SAF2205钢基础上研制的，是目前世界上双相不锈钢中应用最普遍的钢。对含硫化氢、二氧化碳、氯化物的环境具有阻抗性，可进行冷、热加工及成型，焊接性良好，适用于作结构材料。在阀门应用中越来越多的用来替代奥氏体不锈钢022Cr17Ni12Mo2等使用于耐腐蚀性质介质的材料，但双相不锈钢022Cr22Ni5Mo3N材料成本远高于上述不锈钢材料。

3.2 不锈钢复合材料

蝶阀用不锈钢复合材料主要是多层次不锈钢夹柔性石墨材料，用作硬密封蝶阀弹性密封圈。柔性石墨又称膨胀石墨，是由天然石墨鳞片经插层、水洗、干燥、高温膨化得到的一种疏松多孔的蠕虫状物质。除了具有天然石墨本身的耐冷热、耐腐蚀、自润滑等优良性能外，还具有天然石墨所没有的柔软、压缩回弹性、吸附性、生态环境协调性、生物相容性、耐辐射性等特性。

不锈钢夹石墨后可显著提高金属密封圈的补偿性和弹性，阀门使用初期密封效果要明显好于金属对金属密封，同时蝶板与密封圈配合处静密封不需要使用橡胶密封圈，可用于650℃以下的高温环境。但长时间运行后石墨易脱落，密封效果会明显下降。

3.3 不锈钢密封面表面处理

不锈钢密封圈特别是硬密封蝶阀，很多工况下要考虑金属材料的划伤和磨损问题，由于不锈钢材料特别是奥氏体不锈钢材料表面硬度不高、耐磨性较差，需要对不锈钢进行表面处理来提高硬度、增加耐磨性能。蝶阀密封面主要采用滚压、氮化、堆焊硬质合金等处理工艺。

3.3.1 表面滚压处理

改用筒状工具在金属圈表面直接滚压，在金属表面形成致密层，增加金属圈表面的硬度。具有工艺简单（采用普通车床即可加工）、效率高、成本低的特点，可将奥氏体不锈钢表面提高到320HB以上。适用于含沙量较少的常规水介质蝶阀的金属圈处理。

3.3.2 表面氮化处理

表面氮化处理又叫渗氮处理，是在一定温度下、一定介质中使氮原子渗入工件表层的化学热处理工艺。钢件渗氮后形成以氮化物为主的表面层，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热硬性，但渗氮后容易导致不锈钢表面耐蚀性能下降，所以这种工艺现在使用较少，适用于含沙量较少的常规淡水介质的硬密封蝶阀的金属圈处理。

3.3.3 堆焊硬质合金处理

堆焊是采用焊接方法将具有一定性能的材料溶敷在工件表面的一种工艺过程。堆焊的目的与一般焊接方法不同，不是为了连接工件，而是对工件表面进行改性，以获得具有耐磨性、耐热性、耐蚀性等特殊性能的溶敷层。蝶阀堆焊材料采用D507、D507Mo、钴基合金等。D507、D507Mo是是低氢钠形药皮的1Cr13阀门型堆焊焊条，堆焊金属味1Cr13半铁素体高铬钢。堆焊层具有空淬特性，堆焊金属具有较高的中温硬度，良好的热稳定性和抗冲蚀性。D507、D507Mo性能较接近，D507硬度达40HRC，D507Mo硬度达38HRC，可用于密封副的配合，适用于含沙量较少的常规淡水介质的硬密封蝶阀金属圈处理。

钴基堆焊合金又称司太立（Stellite）合金，以Co为主要成分，加入Cr、W、C等元素，堆焊层的金相组织是奥氏体+共晶组织。碳质量分数低时，堆焊层由呈树枝状晶的Co-Cr-W固溶体（奥氏体）和共晶体组成，随着碳质量分数增加，奥氏体数量减少，共晶体增多，因此，改变碳和钨的含量可改变堆焊合金的硬度和韧性。钴基堆焊合金具有良好的耐各类磨损的性能。在各类堆焊合金中，钴基合金综合性能最好，有很高的热硬性，抗磨料磨损、耐腐蚀、抗冲击、抗热疲劳、抗氧化和抗金属间磨损性能都很好。缺点是焊接需预热200～500℃，易形成冷裂纹和结晶裂纹，且价格很贵。适用于介质含沙量较高和高温蝶阀的金属圈处理。

4 结语

蝶阀是输水系统中使用最广泛也是最经济的截止阀类型，特别在大口径管道系统中有得天独厚的优势，根据不同的工况和介质性质选择适当的密封材料，才能保证蝶阀具有良好的密封性能，而且质量可靠，同时具有较长的使用寿命。