高温减压阀密封面钴基合金堆焊

高温减压阀密封面钴基合金堆焊 高温蒸汽减压阀密封面钴基合金堆焊 高温高压蒸汽减压阀密封面钴基合金堆焊 高温减压阀密封面 阀门密封面钴基合金堆焊 高温高压蒸汽减压阀

之前介绍组合式减压阀在国华惠州热电应用，现在介绍高温减压阀密封面钴基合金堆焊介绍了阀门密封面常用材料堆焊钴基合金( 焊丝) 的化学成分、牌号类别和熔敷金属层常有的缺陷。论述了手工钨极氩弧焊( GTAW) 的工艺验证方法。总结DN300 奥氏体不锈钢三偏心蝶阀密封面堆焊钴基合金的质量控制。蒸汽减压阀是阀天生产的先导活塞式蒸汽减压阀，改减压阀以高频率动作场合和大流量，高压差工况的强适应性，受到广泛欢迎。但是在实际应用中由于应用不当，部件疲劳等多方面原因，出现了阀门直通、压力调节不准等故障，现将导致这些故障的常见原因以及相应措施介绍如下：

1、高温减压阀密封面钴基合金堆焊RP-6减压阀出现直通现象
减压阀阀前和阀后压力相同或压差微小。导致该故障的可能原因是： 由于CoCrWB硬质合金(钴基合金)具有优良的耐热、耐腐蚀、耐氧化、耐磨损和较高的红硬性等综合性能，抗摩擦磨损和抗粘着性能很强，因此，在阀门密封面上得到越来越广泛的使用。CoCrWB硬质合金粉末经等离子弧堆焊在阀门密封面上，形成钴基合金堆焊层，因为CoCrWB硬质合金具有较高的红硬性(常温硬度在HRC42~55)因而给机械加工带来较大的困难。

上海申弘阀门有限公司主营阀门有：减压阀(组合式减压阀,可调式减压阀,自力式减压阀在火电、核电及煤化工等高温高压阀门密封面的工作条件十分恶劣【超(超)临界火力发电站上主蒸汽管道阀门的工作温度通常为605℃，主蒸汽的工作压力为27.5MPa左右】，因此对阀门密封面的加工精度要求很高，按原机电部颁发的“电站阀门制造与验收技术条件”，其中要求：(1)密封面应平直并保证径向吻合度不小于80%(平镜检查)；(2)密封面表面粗糙度Ra大允许值为0.2μm。

1、概述

钴基合金具有良好的高温性能、耐疲劳、耐腐蚀、耐磨损、耐冲蚀和耐擦伤。因此，钴基合金常用来堆焊用于工况环境比较苛刻的阀门密封面。钴基合金堆焊过程中，熔敷金属层通常产生微裂纹或冷裂纹、与母材剥离或脱落、化学成分偏析及硬度不均匀等缺陷。为了保证DN300 奥氏体不锈钢三偏心蝶阀阀体密封面堆焊Slite 6，熔敷金属厚度≥2mm，硬度值≥38 HRC 的设计要求，进行了奥氏体不锈钢母材上堆焊钴基合金的工艺验证。
由于钴基合金在阀门密封面堆焊领域的大量应用，目前国内采用的堆焊方法主要有手工电弧焊、钨极氩弧焊、氧-乙炔火焰堆焊、等离子堆焊等。
随着科技的发展，人们对阀门密封面磨损基理的研究也不断深入，阀门技术人员对阀门密封面的使用材料和对各种使用工况的适应性有了更全面、更深刻的理解和认知。因此，用其他材料代替钴基合金材料在阀门密封面上的应用也逐渐开展起来。总的来说钴基合金材料的研制代用的出发点是从两个方面研究，*点是常规阀门密封面钴基合金代用材料是由于钴资源较少，属于稀缺资源，并且钴基合金材料价格很高，其显著的特点是在高温工况金相组织稳定、红硬性好、耐磨性能优良。第二点是核系统设备中使用的金属材料的钴元素含量有限制要求，即要求 Co < 0.08 %。核级阀门密封面钴基合金代用材料的研究应用是近年来才开始起步的，例如北京工业大学胡建平等进行了核阀密封面无钴镍基合金涂层材料及熔覆工艺的研究，赵学彬等进行了核阀密封面无钴铁基合金及激光涂层性能的研究。以上这些研究的出发点是由于钴元素具有放射性，半衰周期较长，钴基合金磨损和腐蚀碎片中的Co59受激发后能形成Co60同位素，这将会延长核辐射的半衰周期，当进行停堆检修时，这些辐射会造成检修时间延长和对维修人员健康的威胁，同时也会大大增加核燃料屏蔽的难度和代价。而阀门密封面堆焊的钴基合金的钴含量都在50%以上，造成这一矛盾现象的原因是核系统中对阀门的安全性和可靠性要求*，阀门使用寿命要达到30年以上。钴基合金材料具有耐冲蚀、耐擦伤、耐磨损、耐腐蚀和高温红硬性等众多优点，很长时间以来一直应用在核系统中的阀门密封面上，实现了其安全性和可靠性要求。这些就使得阀门工作者虽认识到钴含量超标与核系统要求的不适应性，也不敢贸然采用其他代用材料;因此，选择一种代用材料全面达到钴基合金性能是很难的，而针对阀门密封面不同的特性要求和工况使用条件选用与其相适应的材料在一定范围内有条件代用则是可行的。
以来 , 国内外均采用钻基合金作为高温、高压阀门密封面的主要堆焊材料钴基合金作为阀门密封面材料，经过以来的研究表明，其耐冲蚀、耐擦伤、耐腐蚀、耐磨损、高温抗氧化性和高温红硬性等综合性能具有其他材料*的优点。核级阀门密封面堆焊钴基合金应根据所堆焊阀件尺寸、结构和企业堆焊设备的能力合理地选择所适应的工艺方法，并严格按照相应的标准进行工艺评定，确保核级阀门的堆焊质量。
2、工艺验证

2.1、材料

钴基合金( 也称为钴铬钨合金，AWS 中称之为slite) 根据不同化学成分对应着不同的牌号和不同的硬度( 表1) 。AWS A5. 21 中，钴基合金堆焊焊丝的型号有ERCoCr - A 和ERCoCr - B 等。国产的钴基合金焊丝有HS111 和HS112 等。选用直径为Φ4. 0mm 的HS 111 钴基合金焊丝和F304 母材( 25mm × 180mm × 180mm，试件表面粗糙度≥Ra12. 5μm) 做工艺验证。

表1 堆焊用焊丝、填充丝的化学成分( Wt，%) 及硬度

堆焊用焊丝、填充丝的化学成分( Wt，%) 及硬度

表2 F304 的化学成分( Wt，%) 和力学性能

F304 的化学成分( Wt，%) 和力学性能

2.2、堆焊方法

堆焊采用非熔化极手工钨极氩弧焊( GTAW) ，钨极材料为铈钨极，焊机为逆变式带有起始电流增递和衰减装置的手工钨极氩弧焊机( 表3) 。

表3 堆焊工艺参数

堆焊工艺参数

通过车、铣将试板加工至25mm × 180mm ×180mm，试板表面粗糙度为Ra12. 5μm，无尖角和毛刺等。机加后的试板按相关要求进行液体渗透检测和验收。将验收合格的试板堆焊表面用丙酮清洗，确保堆焊区域无水珠、氧化物和油污等影响堆焊质量的杂质，随即将试板放入热处理炉中均匀预热至250 ～ 350℃，保温30 ～ 60min 后取出，立即进行堆焊。堆焊用HS111 焊丝放置在焊丝盒中，若焊丝上有油脂等杂物，必须用丙酮擦拭干净。现场配备清污工具。堆焊前检查手工钨极氩弧焊设备、高频引弧、保护气、冷却水等控制系统是否正常。堆焊环境相对湿度< 90%，风速< 2m/s，氩气的纯度为99. 99%。

堆焊时，试样水平放置，喷嘴与工件保持75°夹角，填充焊丝与工件夹角15°，钨极与工件表面距离约为钨极直径的1. 5 倍( 图1) 。堆焊时采用小电流、短弧焊、快速、多层多道左向焊法，弧长应保持不变，钨极摆动幅度不应大于钨极直径的3 倍。多层道堆焊时，层、道间温度不能低于250℃，各层间焊接交替处应错开，接引处应保证焊透和熔合，焊道两侧边缘衔接处应平缓过渡，不可过厚，避免造成道间熔合不良，形成未焊透、未熔合、夹渣、气孔等缺陷( 图2) 。堆焊过程中，随时检查堆焊质量和操作质量，如有裂纹、未焊透、未熔合、夹渣、气孔等缺陷时，应及时处理和清除。

堆焊后的试板经外观检验合格后立即进行热处理。热处理温度为860 ～ 900℃，保温2h，随炉缓冷。试板冷却至室温后，对焊缝及热影响区按相关要求进行外观检测和液体渗透检测。

试样堆焊

1. 焊丝2. 钨极3. 堆焊金属4. 工件

图1 试样堆焊

堆焊方法

图2 堆焊方法

2.3、试样检测

试样的熔敷金属外观检验和液体渗透检测合格后，通过机械加工的方式将熔敷金属厚度加工至2mm，表面粗糙度为Ra0. 8μm( 图3) 。采用GS1000直读光谱仪检测试样表面化学成分( 表4) ，在室温为15. 2℃，相对湿度为38% 的环境中，进行硬度值检测，共测定10 个点，每个点之间的间距均为10mm( 表5) ，其满足HS111 的要求。

试样检测

图3 试样检测

圆柱体试样

图4 圆柱体试样

表4 堆焊金属表面化学成分检测结果( Wt，%)

堆焊金属表面化学成分检测结果

表5 堆焊金属表面硬度测定值

堆焊金属表面硬度测定值

在垂直于熔敷金属、热影响区和母材的横截面上制取两个Φ25mm 的圆柱体试样，试样的横截面上必须有熔敷金属、过渡区和母材( 图4) 。按相关要求对试样的两个横截面进行打磨和抛光后采用基盐酸( 浓HNO3: 浓HCl = 1: 3 体积比) 溶液浸蚀，使熔敷金属、过渡区和母材呈现出清晰的界面，然后用5 倍放大镜目测观察横截面。横截面上的熔敷金属、过渡区和母材*熔合，无裂纹、未熔合、未焊透、气孔和夹渣等缺陷，无其他线性缺陷，检测结果符合相关规定的要求。

3、产品堆焊

DN300 奥氏体不锈钢蝶阀阀体密封面是三偏心结构，类似一不规则的椭圆。为了确保堆焊质量，采用夹具使堆焊过程中阀体三偏心密封面始终处于水平位置( 图5) 。堆焊时按照工艺验证确定的值选取工艺参数，并根据实际工况调整焊接电流、焊接速度和转盘的转速，确保母材与熔敷金属之间及熔敷金属的各层、道之间熔合和焊透，无气孔和夹渣等缺陷。堆焊时沿密封面圆周方向逐层堆焊，不允许在同一方向多层次同时堆焊，以减少应力的集中。圆周上，熔敷金属厚度应均匀，不能有高、低不平的现象。阀体图5 阀体为了达到上述两项质量指标，密封面的精加工必须采用研磨等工艺。研磨工艺虽然能保证密封0.2的粗糙度，但是要达到80%的吻合度则是很困难的，而且按传统的研磨工艺生产效率低，成本高，劳动强度大。钴基合金有较高的高温红硬性，这对切削和磨削加工带来困难，在研磨工序中研磨器具很容易磨损而影响研磨质量，同时，研磨材料(研磨砂、细砂布、金相砂纸、抛光)的消耗很大，生产效率低，劳动强度大。由于钴基合金的导热性不高，韧性低，抗裂性差，采用强力磨削工艺无法克服加工后产生的钴基材料表面微裂和强力加工后因应力等因素影响形成的延时裂纹。
1）、导阀阀瓣弹簧失效；导阀阀瓣杆或顶杆卡住，使主阀活塞成开启状态；主阀活塞卡住在活塞套高位置。针对以上情况，我们要对RP-6进行检查和清洗，并确保组装的正确。
2）、RP-6主阀或者导阀的密封面损坏或夹有异物；阀后先导管堵塞，导致减压阀不能关闭；导阀内薄膜片破损或其周边密封处泄露。针对以上现象，我们除了要定期检查清洗减压阀外，还要在阀前设置过滤器和排污管，并且定期检查和清洗过滤器及排污管，检查减压阀的时候，要注意观察密封面是否有损坏，入发现损坏，要及时修补。
2、RP-6减压阀出现调压不稳的现象
RP-6减压阀阀后压力与预设压力不符或者出现大幅频繁波动的现象。导致出现该故障现象的原因有：导阀或主阀的弹簧疲劳；主阀活塞密封不严；调节弹簧刚度过大，造成阀后压力不稳；导阀内薄膜片疲劳，甚至失去调节作用；阀内活动部件磨损，使阀门正常启闭过程受阻。出现调压不稳的现象后，我们先启用旁通管，切断减压阀前后的阀门，待减压阀所属管道泄压后，对减压阀进行修理或更换。在减压阀选用的时候，要根据阀前后压力，选用合适的调节弹簧。减压阀在给定的弹簧压力即范围内，使用出口压力在大值和小值之间能调整，不得有卡阻和异常的振动，对于软密封的减压阀在规定的时间内不得有渗漏的情况发生，对于金属密封的减压阀的话渗漏应该不大于大流量的0.5%。出口流量变化的时候起出口压力偏差值，直接作用式不大于20%先导式不大于10%，进口压力变化时候其出口压力偏差值，直接作用式大于10%，先导式不大于5%。

对于减压阀的部件也是有规定的，阀体地步应该舍友排泄孔，并用螺塞堵封掉;阀体两端连接法兰的通径应该要相同的，而且和工程通径DN要一直;导阀瓣采用锥面密封的时候，其密封宽度不大于0.5mm;主阀座喉部的直径一般不小于0.8DN;弹簧指数应该在4到9的范围之内选取等。
    阀门密封面是阀门为关键的一个工作面，阀门密封面质量的好坏是直接能反应出这个阀门的使用期限，而密封面上用的材料又是保证密封面质量的重要因素的存在，所以，在选择阀门密封面材料的时候要考虑到下面几个要点：
*个耐腐蚀。腐蚀是密封面在介质作用下，表面受到破坏的过程，如果说表面受到这种破坏的话，密封性能就不能保证了，因此，密封面材料必须耐腐蚀。材料的耐腐蚀性的主要还是取决在材料的成分及它材料本身的化学的稳定性。
第二点抗擦伤，就是密封面相对运动过程中，材料因为摩擦而引起的损坏，这种孙黄必然引起了密封面的破坏，因此，密封面材料必须要具有良好的抗擦伤性能，尤其是闸阀这种阀门，他的密封结构是闸板密封的。材料的抗擦伤性往往是材料内部性质决定的。
第三点耐冲蚀，就是介质告诉流经密封面的时候，使密封面操刀破坏的过程，这种破坏在高温、高压蒸汽介质中使用的节流阀、安全阀更为明显，对密封性的破坏影响是非常大的，因此，耐冲蚀是密封面材料的重要的要求之一。
第四点应该有一定的硬度，在规定工作温度下硬度不能发生大的下降。
第五点密封面和本体材料的线膨胀系数应该近似，这样对攘密封去去的结果更为重要，以免在高温的情况下容易产生了额外的应力和引起松动。

第六点在高温条件下使用，要有足够的抗氧化、抗热疲劳性以及热循环等问题。

在目前的情况下，要找到全面复核上面所有说的要求的密封面材料是非常的难得，纵然找到了那价格也是非常的昂贵的，只能根据不同的阀门种类和用途，使用的工况介质来重点满足某个方面的要求了。比如说在告诉介质中使用的阀门应该特别注意密封面上的耐冲蚀性能要求，假如介质中是含有固体杂质的时候则要选择硬度比较高的密封面的材料。

4、结语

阀门密封面采用手工钨极氩弧焊堆焊钴基合金是一种可行的且较为理想的堆焊工艺。应严格执行相应的工艺文件，在焊接规范内尽量选择较小的焊接工艺参数，以降低熔敷金属的稀释率、热应力和组织应力。与本产品相关论文：200X先导隔膜式水用减压阀安装要求