耐高溫高壓的新型閥門密封件
上海申弘閥門有限公司
摘要：文章介紹了高溫高壓閥門密封材料的種類和新材料在高溫高壓閥門密封中的應用情況。重點研究和探討了高分子工程塑料的性能參數(shù)和特點，根據(jù)高溫高壓閥門對密封材料的性能要求，提出了一系列基于新材料及其復合材料的材料配方，形成了 KT系列復合材料，并展望了新材料在閥門領(lǐng)域的應用前景。針對電站高溫高壓閥門密封面點狀、局部溝槽狀小面積損傷和面積較大須整體堆焊密封面的的不同需求通過合理選用焊接材料,制定了具體的補焊、堆焊、機械加工、研磨工藝,成功的修復了受損的閥門,取得了顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。電站高溫高壓閥門，其密封面的工作條件相當惡劣，因此對于密封面的性能有較高的要求。目前工作溫度在650℃以下的電站高溫高壓閥門密封面堆焊焊條普遍采用鈷基合金焊條D802，這種焊條堆焊高溫高壓閥門密封面具有較好的高溫穩(wěn)定性和高溫抗擦傷性能等，因此在鈷資源情況較好的國家如美國、日本、德國多用于高參數(shù)或超高參數(shù)的閥門堆焊。
D802焊條的堆焊金屬含有60%左右的鈷，因此生產(chǎn)成本較高。我國是鈷資源貧乏的國家，大量發(fā)展這種焊條很不適合我國的國情，且其堆焊工藝復雜，生產(chǎn)成本較高。
作者采用優(yōu)化設計的方法研制了一種新型鐵基堆焊焊條來代替D802堆焊焊條，使之不含鈷元素，且保證堆焊層金屬各項性能指標，如高溫硬度穩(wěn)定性、高溫抗擦傷性能等主要性能指標，達到D802堆焊焊條堆焊層金屬的近似同等性能，顯著降低生產(chǎn)成本。
所設計焊條適用于電站高溫高壓閥門密封面的堆焊，要求其具有良好的高溫穩(wěn)定性及高溫抗擦傷性能。由于錳是奧氏體化元素，能夠促進高溫下組織的穩(wěn)定性；碳、硼能夠與鉻、鎢、釩、鉬等金屬形成碳化物、碳硼化物、硼化物等硬質(zhì)相，這些硬質(zhì)相在高溫狀態(tài)下都具有較高的硬度且不易溶解，大大提高了高溫抗擦傷性能；鉻是主要的合金元素，對堆焊層的性能有很大的影響，而這些元素是通過碳化硼、金屬鉻及金屬錳加入到焊條中去的，故確定碳化硼、金屬鉻及金屬錳加入量作為優(yōu)化因子。
材料是人類賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，是人類進步的里程碑，是多數(shù)發(fā)明創(chuàng)造的先導。因此，世界各工業(yè)發(fā)達國家都把新材料的研究與開發(fā)放在十分重要的地位。當今，多種材料并存，而復合材料是新材料發(fā)展的重點。復合材料的設計自由度大，可以成為高性能的結(jié)構(gòu)材料和*的功能材料，也可以成為結(jié)構(gòu)———功能一體化的構(gòu)件。優(yōu)化材料組成、結(jié)構(gòu)制造工藝、性能及使用過程中的表現(xiàn)諸因素，按需要進行設計，采用新工藝或新技術(shù)，可以制造出性能優(yōu)異的復合材料。進入 21 世紀，新材料的應用已涵蓋所有工業(yè)領(lǐng)域，、通用機械無所不包。通用設備中的閥門也不例外，流體工程機械現(xiàn)已大量使用新材料用于座圈及密封件等。通常閥門密封材料分為 2 類：一類為軟密封，非金屬材料如橡膠、工程塑料、復合材料等；另一類為硬密封，金屬材料如不銹鋼、哈氏合金、斯泰合金等。
上海申弘閥門有限公司生產(chǎn)PEEK，PTFE，POM 等多種材料的閥門密封件，可以滿足使用溫度在 -200℃~+320℃，公稱直徑從 1/4~50，壓力在150LB~3500LB 各種閥門密封要求，并且通過研究新材料及其復合材料的材料配方，形成了 KT 系列復合材料。1.KT—PEEK 材料及 PEEK 改性研究聚醚醚酮（PEEK）具有耐高溫、耐化學藥品性、耐輻射、強度高、斷裂韌性高、易加工等優(yōu)異性能及線脹系數(shù)較小、自身阻燃、摩擦學性能突出、絕緣、耐水解等特點。對 PEEK 進行纖維增強、無機填料填充及有機材料共混等改性,可以進一步增強 PEEK 的力學性能、熱性能及摩擦學性能,降低材料成本, 擴大使用范圍。具體性能指標如圖 1 所示。
| 項目 | 單位 | 指標 |
| 密度 | g/cm3 | 1.33 |
| 拉伸強度 | Mpa | 97 |
| 斷裂伸長率 | ％ | >30 |
| 硬度 | 邵氏 D | 90～120 |
| 壓縮強度 | Mpa | 118 |
| 吸水率 | ％ | 0.2（24H）0.5（飽和） |
圖 1 KT—PEEK 的性能指標
應用范圍：壓力在 150l~2500lb 球閥座圈和密封圈等。使用溫度可達320℃，尤其適用于蒸汽閥門。
2.KT—PTFE 材料及 PTFE 改性研究
聚四氟乙烯（PTFE）具有高度的化學穩(wěn)定性、*的耐高低溫性能、突出的不粘性、耐老化性和抗輻射性、績效的吸水率等優(yōu)異性能，但它固有的強度低、耐磨性、蠕變性能以及導熱性差等缺點，又限制了其應用。所以通過表面改性、填充改性、共混改性等對其復合改性，既可保持其優(yōu)點，又可改善和克服純 PTFE 的缺陷，提高其綜合性能。具體指標如圖 2 所示。
| 項目 | 單位 | 指標 |
| 密度 | g/cm3 | 2.13~2.2 |
| 拉伸強度 | Mpa | >25 |
| 斷裂伸長率 | ％ | 200~630 |
| 硬度 | 邵氏 D | 50~65 |
| 負荷下變形 | % 13.8 Mpa25℃ | 18～10（*變形） 17～19（全變形） |
| 熱變形溫度 | ℃1.82 Mpa | 49～55 |
圖 ２ KT—PTFE 的性能指標
3.KT—POM 材料及 POM 改性研究
聚甲醛（POM）綜合性能優(yōu)良，是多有塑料中比強度較為接近金屬的樹脂品種之一，具有*的強度和剛度、良好的耐腐蝕、耐磨損、自潤滑和抗蠕變性能，特別是具有突出的耐疲勞性能，但是其大使用溫度與大的短視耐熱溫度低、抗水解性不夠好、缺口敏感性差缺點阻礙了其應用，所以通過填充、共混改性的研究方法對其改性研究。具體性能指標如圖 3 所示。
| 項目 | 單位 | 均聚甲醛 | 共聚甲醛 |
| 密度 | g/cm 3 | 1.42 | 1.41 |
| 拉伸強度 | Mpa | 67 | 54~70 |
| 斷裂伸長率 | ％ | 40 | 35 |
| 硬度 | 洛氏 M | 94 | 75~86 |
| 壓縮強度 | Mpa 1%變形 | 36 | 32 |
| 負荷下變形 | %13.7Mpa 23℃24H | 0.5 | 1 |
| 使用溫度 | ℃ | -50~85 | -50~104 |
圖 ３ KT—POM 的性能指標
適用范圍：壓力：150l~900lb，常用于自動控制中小口徑閥門。
4.新材料在當今閥門領(lǐng)域應用展望與結(jié)論
2008 年，中國鋼產(chǎn)量就達到 5.02億噸，排名* 1, 比排名 2~8 位的日本、美國、俄羅斯等 7 個國家總和還多,占鋼總產(chǎn)量的 38%，其中凈出口鋼鐵 5488 萬噸。帶動了中國閥門的市場繁榮。上海申弘閥門有限公司主營閥門有：減壓閥(氣體減壓閥,可調(diào)式減壓閥,波紋管減壓閥,活塞式減壓閥,蒸汽減壓閥,先導式減壓閥,空氣減壓閥,氮氣減壓閥,水用減壓閥,自力式減壓閥,比例減壓閥)、安全閥、保溫閥、低溫閥、球閥、截止閥、閘閥、止回閥、蝶閥、過濾器、放料閥、隔膜閥、旋塞閥、柱塞閥、平衡閥、調(diào)節(jié)閥、疏水閥、管夾閥、排污閥、排氣閥、排泥閥、氣動閥門、電動閥門、高壓閥門、中壓閥門、低壓閥門、水力控制閥、真空閥門、襯膠閥門、襯氟閥門。
然而新材料在閥門領(lǐng)域的應用還不夠*，新材料的不斷出現(xiàn),應用到閥門上還沒有標準化，不能滿足閥門制造設計工程師的需求。這就要求材料科學工作者與閥門設計制造工程師攜手，利用新材料的各項性能滿足閥門介質(zhì)工況條件需求的標準文件，以供更多閥門生產(chǎn)選用。新材料必定在閥門領(lǐng)域能夠得到更廣泛地應用。與本文相關(guān)的論文有：法蘭及螺栓與墊片在閥門安裝中的作用
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