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使用在特殊场合上选用的哈氏合金钢球阀(金属硬密封球阀)

浙江摩根阀门有限公司

2017/1/3 15:21:34

哈氏合金球阀技术说明浙江摩根阀门有限公司

哈氏合金球阀适用范围

本技术方案介绍适用于:

针对主体材料选用哈氏合金的金属硬密封球阀的技术方案。

(要加上为什么选用球阀的原因,从结构流道优势和流体力学及冲刷腐蚀入手说明)

二、 哈氏合金球阀产品特点

浙江摩根阀门有限公司结合多年的研制与生产经验,对管线球阀已拥有了丰富的设计与制造经验,是管线球阀的专业制造厂商。管线球阀是我公司的主导产品之一,可靠的产品质量,满意的售后服务,使我公司先后成为了中石油、中石化的合格供应商。在长输管线,石油、天然气工业等领域得到了广泛的运用。

我公司设计制造的管线球阀一般分为:分体式软密封管线球阀、分体式金属硬密封管线球阀和全焊接管线球阀。分体式管线球阀通过高强度螺栓连接侧体与阀体。全焊接管线球阀通过焊接方式将侧体与阀体连接。球体都采用固定式结构,阀座采用浮动式设计。

分体式管线球阀通过螺栓连接侧体与阀体,便于安装于维修。设计标准符合API 6D标准,主体材料的温度与压力选择以及zui小壁厚的设计符合ASTM B 16.34标准规范。为了保证产品的质量与设计的合理性,产品设计利用SOLIDWORKS建立模型,用ANSYS有限元分析,并不断优化设计。确保了产品的可靠性、经济性以及安全性。

为更好实现产品的高性能,对产品材料的化学成分严格控制,零部件制造采用数控加工,并的尺寸检测与严格的工艺要求。

本阀门具有双向密封功能,任何一侧都可以承受全压差,截断介质,并体现较佳密封性能。实现管路的连接与切断功能。

分体式管线球阀在阀杆与填料箱密封处设计了注脂阀,以及在阀座与侧体处设计了注脂阀,起到了二次紧急密封作用,延长了阀门的使用寿命。

阀门具有防火防静电结构,发生火灾时,阀门在大火中温度异常升高,内部软密封材料被烧毁,此时,阀门金属密封结构起到了辅助密封作用,能够有效的控制介质的泄漏量。阀门防火设计*API 607的规范要求。阀门开启与关闭动作过程,球体与阀座之间有相对摩擦,同时产生静电,对于输送易燃易爆介质存在很大的潜在危险。阀门防静电结构可以有效的将球体与阀座之间产生的静电导出。避免了危险的发生。阀门防静电结构设计符合的规定。

阀门的执行机构可以选择气动、电动、蜗轮以及气液联动或电液联动等。也可以按照客户的特殊要求。

 

三、 哈氏合金球阀方案介绍

1、设计参数如下:

l 公称压力:900Lb;(按客户要求)

l 公称通径: 2全通径;(按客户要求)

l 主体材料:hasloy C-276;

l 内件材料: hasloy C-276+钴基+碳化钨;(球阀用Hasloy G30

l 连接形式:按照客户要求;

l 结构长度:按照客户要求;

l 泄漏等级:FCI 70.2 VI;

l 设计标准: ASME B16.34,API6D等

l 适用温度:常温。

 

2、哈氏合金球阀设计标准

设计规范:设计和制造按ASME B16.34

阀门结构长度按ASME B16.10

法兰尺寸按ASME B16.5。

参考标准:

API 6D-2008《石油和天然气工业管线输送系统管线阀门

API 598-2009《阀门的检查我和试验》 

ASTM A182- 2002a《高温用锻制或轧制合金钢法兰、锻制管件、阀门和部件》

ASTM A193/A-2001b《高温用合金钢和不锈钢栓接材料》

API Q1-2007《质量纲要规范》

NACE-MR-0175-2003 《油田设备用抗硫化物应力腐蚀断裂和应力腐蚀裂纹的金属材料》;

API 607 《阀门火烧试验》等。

(填上哈氏合金标准号)

3、哈氏合金球阀材料的选择

根据氢气特性,阀门主要部件材料选择如下:

阀体、侧盖、:Hasloy C-276;

球体:Hasloy C-276+钴基+碳化钨;

阀座:Hasloy C-276+钴基+碳化钨;(球阀用Hasloy G30

阀杆:XM-19

弹簧:Inconel X-750(这二项与介质接触,抗腐蚀能力是否可行?)

紧固件:B7+喷氟

中法兰密封材料:石墨+O型圈(氟橡胶)(数据表要求在250°C下稳定动行,氟橡胶可行否?)

 

球体与阀座属于内件,*暴露与介质之中。阀座与球体之间采用金属硬密封接触。

阀座、球体表面采用先堆焊钴基合金(先热喷钴基合金然后碳化钨再喷钴基合金,厚度达1mm以上,重熔处理)然后钴基表面再采用世界上*的“镍包碳化钨超音速热喷涂并重熔工艺”的硬化处理。提高密封面的耐磨性和硬度及抗冲刷性。

WC是一种高硬度、高强度和高耐磨性兼备的硬质合金,它的粒度一般为0.2~1.0µm以下,大部分在0.5µ,m以下,具有硬质合金的高硬度和高速钢的强度。其硬度不小于HRC68结合强度不小于70。

本公司生产的硬密封球阀,阀座、球体表面采用镍包碳化钨(在Ni60中加入一定比碳化钨)超音速热喷涂。厚度可达0.5~0.8mm。以保证密封面不受介质及其中棵粒物的影响;降低表面的摩擦系数,提高表面抗磨损性能,它具有耐磨、减摩、耐热、耐腐蚀、摩擦系数低、防咬合等特点,能改善表面性能,提高寿命。

在喷涂后工件整体进行重熔热处理,减少硬质合金表面的孔隙率,提高涂层致密度,增加喷涂的硬质合金与本体的结合力,与底材更牢固地粘结,使其成为一体。可有效地抑制裂纹的产生和扩展,从而提高涂层的硬度和韧性,并获得适当的硬度/韧性比和降低残余应力提高密封面的硬度和耐磨性。从而具有较高的承载能力。从而大大的提高了阀门的使用受命。

(喷涂表面含球流道和阀座流道,冲刷和腐蚀共同做用下,从没有硬化的表面开始)

弹簧材料的选择

为了能够满足工况的需求,抗氢腐蚀,同时又要有良好的机械性能,能够提供密封所需要预紧力,因此采用了inconel X-750合金材料

 

阀杆材料的选择

阀杆的设计与球体分离,便于维修,以及更换密封材料。阀杆与球体连接传递zui大扭矩。阀杆可以选用高强度的XM-19(耐腐蚀上可能不行),表面镀ENP,提高硬度。

 

阀体与侧体的密封材料选择

阀体与侧体之间选择夹不锈钢石墨缠绕垫,可以起到密封和防火功能。在阀体与侧体之间增设了O型圈(诺是金属的可以,橡胶类O形圈可能温度上不可以)作为一级密封。缠绕垫作为次级密封。如下图所示:

 

 

螺栓和螺母的选择

螺栓和螺母选用ASTM A193-B8M和ASTM A194-8M,适用温度范围:-29~180℃。材料符合NACE 标准要求。

 

 

 

 

 

 

 

 

4、哈氏合金球阀设计方案结构示意图

 

 

5、哈氏合金球阀结构特点

本球阀通过球体90°旋转打开或关闭,实现管路的联通与切断功能。

阀门通过阀杆上键与执行机构(电动、气动、蜗轮传动、液动或气液联动等)连接。执行机构输出力矩,传递于阀杆,阀杆带动球体旋转90°,实现阀门启闭动作。

球体与阀座圈之间的紧密贴合,以及合理的材料选择与精密的工艺加工,决定了作为截断介质的*密封副匹配。

阀座后面的弹性元件提供了阀座与球体之间密封所需要的zui小预紧力。同时,阀座圈的密封面设计满足密封所需的必须比压和许用比压。当阀门在环境温度变换时,球体密封面和阀座密封面产生收缩或膨胀,导致密封效果受到影响。此时,阀座后面弹性元件起到自调节功能,将阀座调整到*位置,发挥了阀门*密封性能。阀座密封面与球体密封面长期磨损的情况下,压缩量逐渐减少,也影响了阀门的密封效果。此时,阀座后面的弹性元件与介质的作用力将阀座推向球面,压缩量得到了一定补偿,阀座起到了活塞作用。此外,当阀腔压力过大时,为了防止中腔截压过载的危险,具有活塞作用的下游阀座,在中腔压力下阀座被推开脱离球面,中腔压力得到泄放,起到了自泄压功能(要求压力泄放到上游)这也是活塞阀座的另一功能。阀座的结构设计符合API 6D要求。

 

本球阀结构属于硬密封球阀。阀门为分体式结构,球体与阀座从侧端装入。

阀体:采用哈氏合金锻钢材料。化学成分和机械性能符合ASME 标准要求。

 

阀杆是传递阀门扭矩的关键件,阀杆表面加工的光洁度影响整个阀门的扭矩。提高阀杆表面的硬度,可以减小阀杆的磨损。为此,阀杆采用了精加工、滚压、抛光等工艺。阀杆表面光洁度可达Ra 0.2~Ra0.4,阀杆通过镀镍磷工艺提高了表面硬度。

阀杆上设计了防静电结构,保证了球体与阀杆,以及阀杆与阀体之间的金属连接。符合相关设计标准要求。

 

球体与阀座的加工是整个阀门密封性能的关键。球体和阀座采用锻件材料加工而成,球面和阀座密封面先堆焊钴基合金,然后超音速喷焊混合硬质合金。球体在加工中严格控制了球面的圆度,达到0.005mm。球体和阀座密封面喷涂层加厚。密封表面采用High velocity oxy-fuel (HVOF)超音速喷焊之后,利用Spray and fuse (S&F)重熔技术,增强了硬质合金与基体之间的结合力。

球体与阀座使用设备进行配对研磨。装配之前,再经过技师们的手工研磨和测试,使密封面的光洁度可达0.2以上,以保证球体密封面和阀座密封面100% 接触。从而使泄漏等级达到FCI 70-2 VI级(ASME B16.104)。

这种球面与阀座密封面材料匹配以及特殊的密封面加厚层工艺,保证了阀门长寿命特点。

 

 

固定球阀的阀座次密封以及阀杆密封的设计,引进了*的唇形密封座(Lipseal)。并结合了自身多年的特种阀门设计研发经验,以及各类金属密封圈的研制经验(如:金属C型圈,空心金属O型圈,金属U型圈等),将其改进,达到了更优密封效果。我公司称其密封圈为:U型弹簧蓄能增压密封圈,并向国家局申报了实用型。

浙江摩根阀门有限公司自主研发的U型弹簧蓄能增压密封圈,采用了金属U型圈外面包覆PTFE或PCTFE作为密封材料。取代了使用螺旋弹簧做骨架的唇形密封座(Lipseal),避免了重叠或焊接连接而导致的受力不均现象。U型弹簧蓄能增压密封圈在不同的温度与压力下,经过反复验证,表明受力均匀,密封良好。如下图:

 

U型弹簧蓄能增压密封圈作为阀座后次级密封,可以实现阀座DBB(或DIB)的功能,符合API 6D设计要求。

 

 

阀门在温度剧烈变化中,U型弹簧蓄能增压密封圈可以根据压力与温度的变化自身调节,同时还降低了阀门的扭矩。介质的压力结合金属圈的弹性蓄能为密封比压提供了zui小预紧力。巧妙地结构设计,大大的延长了阀门的使用寿命。

 

 

阀门阀杆与填料处设计多重密封组合,既设计了柔性石墨防火填料密封,又增加了U型弹簧蓄能增压密封圈,O型圈辅助密封。保证了阀门填料泄漏等级满足MESC SPE 77/312微泄露试验。密封结构详见小样图。

 

6执行机构的选择

分体式固定硬密封球阀的结构设计,可以满足客户对不同执行机构的要求。

 



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