不锈钢闸阀的密封副配对试验研究

摘要：密封面是阀门最关键、最核心的部位，密封面质量的好坏直接决定阀门能否正常工作，并影响其使用寿命、使用效率等。在实际工况下，若要求阀门耐腐蚀，则需要采用不锈钢密封面。现针对不锈钢密封副配对进行了试验研究，根据公司实际情况对试验数据进行了分析，并提出了改善方案，不仅可以满足用户需求，保证密封质量，而且能保证产品的经济性。

关键词：密封副;抗擦伤性能;硬度

中图分类号：TH134;TH140  文献标志码：A  文章编号：1671-0797（2022）03-0059-03

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

0    引言

山东日照钢铁精品基地项目焦化煤气净化工程的煤气主线工艺流程如下：焦炉荒煤气→洗涤塔（预留）→横管初冷器→电捕焦油器→煤气鼓风机→洗萘塔→吸氨塔→终冷塔→吸苯塔→水洗塔→脱硫塔→净煤气去用户。为实现上述煤气净化和产品回收功能，煤气净化装置组成包括冷凝鼓风（包括初冷、电捕、鼓风、焦油氨水分离4个工序）、中冷油洗萘、无水氨、终冷洗苯、脱硫及硫回收、负压粗苯蒸馏、负压蒸氨7个单元和油库及液氨槽区。

密封面是阀门最关键、最核心的部位，密封面质量的好坏直接决定阀门能否正常工作，并影响其使用寿命、使用效率等。而密封面质量的好坏主要取决于密封面的选材与制作工艺，在选材方面，需要仔细考虑以下六大因素：

（1）耐腐蚀程度。密封面选材时，一定要选择耐腐蚀程度高的材料，而材料的耐腐蚀程度取决于其成分及化学稳定性。

（2）抗冲蚀能力。在高压、高温场合一定要考虑阀门密封面的抗冲蚀能力，选择抗冲蚀能力强的材料有助于阀门的长期稳定使用。

（3）抗擦伤能力。选择抗擦伤能力强的材料将大大延长阀门的使用寿命，特别是在开关频次较高的场合。

（4）高温抗氧化能力。在高温场合，密封面选材时一定要注意材料的抗氧化能力、抗热疲劳性、热循环等问题，高温条件下，对阀门密封面要求更高、更苛刻。

（5）材料的硬度。密封面的材料，必须保证在最高工作温度下硬度不会发生大的变化，保证阀门在高温下的密封性。

（6）阀体材料的线膨胀系数。密封面应尽量选取与阀体材料线膨胀系数接近的材料，避免在高温环境下使用产生额外的应力引起松动，这在镶密封圈的阀门上更需注意。

项目中的电动水封煤气闸阀设置在冷鼓单元、脱硫单元、外线单元，密封面材料要求为不锈钢。根据资料介绍，1Cr13与2Cr13可作为密封副配对，与相对成熟的密封副配对304与316L相比，其成本更低。在保证密封质量和节约成本的前提下，决定就现有条件进行Cr系密封副配对试验。

本次试验将阀体密封面选定为2Cr13，闸板密封面材质选定为3Cr13。由于Cr13系材料金相组织结构简单，属于回火马氏体组织，含少量铁素体，无其他化合物，形成不了致密的、高强度的多相化合物组织，它们形成的配对，互溶性大，粘着倾向大，因而Cr13系摩擦副在密封的时候密封面拉伤很严重。

1    生产过程

由于密封面材料硬度接近，插板的时候易将闸板拉伤，决定对拉伤的密封面进行加热处理。采用HBX-0.5型携带式布氏硬度计现场对加热前、加热后的硬度进行测量，结果表明，加热后闸板密封面的硬度明显提高，于是决定将剩余所有的闸板全部加热。试验表明，加热后，密封面硬度显著提高，抗擦傷性能也得到了改善。这种工艺能满足阀门的密封性能，但是处理工艺不成熟，大大增加了后续的工时。

2    数据获得

在测量硬度时，由于测量误差或取点位置的误差，有些数值特别大或特别小，在这种情况下，将这些特殊数据舍弃，可减小对测量结果的影响。在密封面上重复测量10次，得出平均值。

3    体板硬度的对比

1#阀体与1#、2#闸板配对，2#阀体与3#、4#闸板配对，3#阀体与5#、6#闸板配对，对3组密封副配对加热前后的数据进行分析。计算各项目的平均值，将硬度（HBS）数据用柱状图（图1）表示，可以一目了然地对比加热前后体板的硬度。

由图1可知，加热后闸板、阀体密封面的材料硬度都明显提高。

4    硬度组合分析

对于Cr13系材料，硬度差对抗擦伤性能有显著影响，每种摩擦副都有一个耐磨性能较好的硬度范围。硬度对抗擦伤性能的影响主要表现为：（1）对Cr13系配对，主要是通过硬度差和硬度分配表现出来，硬度的高低对抗擦伤性能影响不是很大，不能片面地认为只要硬度越高，抗擦伤性能就越好。硬度也不能太低，要保证具备耐磨性能较好的金相组织，配对密封面的最低硬度不得小于HBS280。（2）硬度通过金相组织表现出来。将Cr13材质进行加热处理，硬度由HBS150提高到HBS350，抗擦伤性能就大大提高。

根据数据和实际装配可知，第三种闸板和阀体硬度组合下密封效果比较好，硬度差在HBS50～HBS60。

5    定性分析Cr13材料热处理的可行性

（1）在Cr13系4种配对中以3Cr13—2Cr13、3Cr13—1Cr13为好，18-8型（0Cr18Ni9）组成的密封副抗擦伤性能一般。文献[1]提供了几种配对的抗擦伤性能，如表1所示。

（2）从工艺方面看，氮化处理能显著提高密封副的抗擦伤性能[2]。

（3）Cr13系材料耐磨性能好，但金相组织结构简单，属于回火马氏体组织，含少量铁素体，无其他化合物，形成不了致密的、高强度的多相化合物组织，它们形成的配对，互溶性大，粘着倾向大，因而Cr13系摩擦副不抗擦伤。但如果采用表面处理工艺，如表面化学处理、喷镀、堆焊等工艺，可使摩擦副表面生成互溶性小的组织，防止粘着磨损的发生。

Cr13密封面经过加热后，硬度和耐磨性能都大大提高，试验表明，在工艺、设备条件成熟的情况下，应用这种匹配的密封面材料具备可行性。

6    现有条件下热处理的局限性

由于设备及工艺的局限性，此次闸板密封面热处理只能用手工焊接炬作为火焰加热工具，虽然这种装置设备简单，生产成本低廉，但是火焰温度、速度等工艺参数较难控制，所以热处理后表面的性能不均匀，灵活性大，很难达到要求的性能。热处理质量主要取决于操作者的技术水平和生产经验，冷却介质、冷却时间、冷却速度也是很难控制的，难以达到工艺所要求的表面质量。因此，努力提高机械化、自动化程度，严格工艺要求是提高火焰加热表面淬火质量的关键。

7    措施改进

（1）火焰加热温度高、速度快、所需时间短，因而热量由表面向内部传播的深度浅，所以最适用于处理硬化层较浅的工件。淬火后表面清洁，无氧化、脱碳现象，同时工件的变形也较小。近年来，由于采用新型的温度测量技术以及机械化、自动化的火焰表面淬火机床，工件的表面质量得到了保证，生产技术也不断发展。

此次试验使用的是火焰槍加热，存在受热不均匀的问题。为提高密封面淬火质量，减小变形，可设置回转平台或加热工装，增加火焰枪数量，保证受热均匀。在热处理过程中，如果单靠一杆加热枪加热，效率会很低，但是若将加热枪的数量增加，采用特制的加热器，则效率可显著提高。加上如图2所示的回转平台稳定旋转，可保证热处理表面温度均匀，处理后表面性能均匀，并大大降低劳动强度，提高热处理效率。

（2）温度测量。红外光电高温计作为常用的高精度辐射温度检测器，可通过探测被测对象表面所发出的红外辐射能量，转化成与表面温度相对应的电信号输出，并对探测元件的环境温度影响进行补偿，具有测量精度高、响应速度快、性能稳定、测温范围广等优点。此次试验可采用便携式红外温度计，将被测物体辐射的红外能量转换成温度值直接在液晶屏上显示出来，读数直观，操作简便，其外形小巧、便于携带，适用于现场测温。

（3）冷却方式的选择与实施。常用的冷却方式有水冷、油冷、空冷。对比水冷和油冷，冷却时间：因为油的冷却速度较水慢，所以油冷的冷却时间比水冷长;淬火硬度：水冷高，油冷低;淬火变形：水冷大，油冷小;淬火开裂倾向：水冷大，油冷小;淬硬层深度：水冷深，油冷浅;冲击功：水冷低，油冷高;环境污染：水基本上没有污染，废油有污染且油烟也有污染，还存在发生燃烧的安全隐患;生产成本：水成本低，油成本高。综合比较，可选用空冷或水冷的方式，不仅能够满足硬度需求，而且工艺简便。另外，如果刀具切削不动的话，可能需要更换刀具，宜选用YW类或立方氮化硼刀具。

（4）不同硬度差的抗擦伤试验。擦伤试验机可模拟闸阀运动形式以测试闸阀密封面材料各种组合（配对）的抗擦伤性能。根据文献[1]可知，摩擦副的硬度差对擦伤性能起着突出的影响作用，因而阀门密封副的硬度差选定是否得当，对阀门的使用寿命有着重要影响。就Cr13系材料来说，其抗擦伤性较好的硬度差为HRC11～HRC16。摩擦副中元件的硬度不能太低，其真实接触应力不应超过材料的压缩屈服极限，使摩擦副在整个摩擦过程中处于弹性状态，才有助于延长摩擦副的寿命。可通过擦伤试验机选取合适的摩擦副配对材料，减少生产和工艺上的重复。

（5）残余应力的测量与消除。密封副产生的密封力将与截面残余应力叠加，使密封面某些部位提前达到屈服强度并发展为塑性变形，如继续增加荷载，则只有截面弹性区承受荷载的增加值，而塑性区的应力不再增加。所以，构件达到强度极限状态时的截面应力状态与没有残余应力时完全相同，即残余应力不影响构件强度。由于密封面塑性区退出受力和发展为塑性变形，残余应力将降低构件的刚度和稳定性。残余应力特别是焊接残余应力与荷载应力叠加后，常使钢材处于二维或三维的复杂应力状态下受力，将降低其抗冲击断裂和抗疲劳破坏的能力。

可采用盲孔法测残余应力[3]，图3所示的振动时效处理不仅能够减小和均化残余应力，还可提高工件的抗变形能力;振动时效还可以略微降低工件的硬度，有利于切削加工。

8    结论

（1）根据测量，闸板、阀体的硬度比淬火后Cr13系材料低，但是硬度差在抗擦伤范围内，因此也能很好地实现密封。（2）经过加热后，Cr13系材料的硬度显著提高，抗擦伤性能也得到了提高。因此，在目前的生产条件和技术条件下，可以运用这种密封副来降低生产成本。

[参考文献]

[1] 陈元芳，方本孝，张洪文，等.阀门密封面配对的试验研究[J].化工与通用机械，1980（2）：15-23.

[2] 方本孝.提高阀门密封副耐擦伤性能的研究[J].流体工程，1984（1）：10-15.

[3] 程晓宇，王晓梅.残余应力的本质及其调整[J].全面腐蚀控制，2009，23（7）：33-35.

收稿日期：2021-11-18

作者简介：韩晓君（1989—），女，山西介休人，硕士研究生，工程师，研究方向：阀门设计与制造。