摘要：密封面是閥門最關(guān)鍵、最核心的部位，密封面質(zhì)量的好壞直接決定閥門能否正常工作，并影響其使用壽命、使用效率等。在實(shí)際工況下，若要求閥門耐腐蝕，則需要采用不銹鋼密封面。現(xiàn)針對不銹鋼密封副配對進(jìn)行了試驗(yàn)研究，根據(jù)公司實(shí)際情況對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，并提出了改善方案，不僅可以滿足用戶需求，保證密封質(zhì)量，而且能保證產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)性。

關(guān)鍵詞：密封副;抗擦傷性能;硬度

中圖分類號(hào)：TH134;TH140? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? 文章編號(hào)：1671-0797（2022）03-0059-03

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

0? ? 引言

山東日照鋼鐵精品基地項(xiàng)目焦化煤氣凈化工程的煤氣主線工藝流程如下：焦?fàn)t荒煤氣→洗滌塔（預(yù)留）→橫管初冷器→電捕焦油器→煤氣鼓風(fēng)機(jī)→洗萘塔→吸氨塔→終冷塔→吸苯塔→水洗塔→脫硫塔→凈煤氣去用戶。為實(shí)現(xiàn)上述煤氣凈化和產(chǎn)品回收功能，煤氣凈化裝置組成包括冷凝鼓風(fēng)（包括初冷、電捕、鼓風(fēng)、焦油氨水分離4個(gè)工序）、中冷油洗萘、無水氨、終冷洗苯、脫硫及硫回收、負(fù)壓粗苯蒸餾、負(fù)壓蒸氨7個(gè)單元和油庫及液氨槽區(qū)。

密封面是閥門最關(guān)鍵、最核心的部位，密封面質(zhì)量的好壞直接決定閥門能否正常工作，并影響其使用壽命、使用效率等。而密封面質(zhì)量的好壞主要取決于密封面的選材與制作工藝，在選材方面，需要仔細(xì)考慮以下六大因素：

（1）耐腐蝕程度。密封面選材時(shí)，一定要選擇耐腐蝕程度高的材料，而材料的耐腐蝕程度取決于其成分及化學(xué)穩(wěn)定性。

（2）抗沖蝕能力。在高壓、高溫場合一定要考慮閥門密封面的抗沖蝕能力，選擇抗沖蝕能力強(qiáng)的材料有助于閥門的長期穩(wěn)定使用。

（3）抗擦傷能力。選擇抗擦傷能力強(qiáng)的材料將大大延長閥門的使用壽命，特別是在開關(guān)頻次較高的場合。

（4）高溫抗氧化能力。在高溫場合，密封面選材時(shí)一定要注意材料的抗氧化能力、抗熱疲勞性、熱循環(huán)等問題，高溫條件下，對閥門密封面要求更高、更苛刻。

（5）材料的硬度。密封面的材料，必須保證在最高工作溫度下硬度不會(huì)發(fā)生大的變化，保證閥門在高溫下的密封性。

（6）閥體材料的線膨脹系數(shù)。密封面應(yīng)盡量選取與閥體材料線膨脹系數(shù)接近的材料，避免在高溫環(huán)境下使用產(chǎn)生額外的應(yīng)力引起松動(dòng)，這在鑲密封圈的閥門上更需注意。

項(xiàng)目中的電動(dòng)水封煤氣閘閥設(shè)置在冷鼓單元、脫硫單元、外線單元，密封面材料要求為不銹鋼。根據(jù)資料介紹，1Cr13與2Cr13可作為密封副配對，與相對成熟的密封副配對304與316L相比，其成本更低。在保證密封質(zhì)量和節(jié)約成本的前提下，決定就現(xiàn)有條件進(jìn)行Cr系密封副配對試驗(yàn)。

本次試驗(yàn)將閥體密封面選定為2Cr13，閘板密封面材質(zhì)選定為3Cr13。由于Cr13系材料金相組織結(jié)構(gòu)簡單，屬于回火馬氏體組織，含少量鐵素體，無其他化合物，形成不了致密的、高強(qiáng)度的多相化合物組織，它們形成的配對，互溶性大，粘著傾向大，因而Cr13系摩擦副在密封的時(shí)候密封面拉傷很嚴(yán)重。

1? ? 生產(chǎn)過程

由于密封面材料硬度接近，插板的時(shí)候易將閘板拉傷，決定對拉傷的密封面進(jìn)行加熱處理。采用HBX-0.5型攜帶式布氏硬度計(jì)現(xiàn)場對加熱前、加熱后的硬度進(jìn)行測量，結(jié)果表明，加熱后閘板密封面的硬度明顯提高，于是決定將剩余所有的閘板全部加熱。試驗(yàn)表明，加熱后，密封面硬度顯著提高，抗擦傷性能也得到了改善。這種工藝能滿足閥門的密封性能，但是處理工藝不成熟，大大增加了后續(xù)的工時(shí)。

2? ? 數(shù)據(jù)獲得

在測量硬度時(shí)，由于測量誤差或取點(diǎn)位置的誤差，有些數(shù)值特別大或特別小，在這種情況下，將這些特殊數(shù)據(jù)舍棄，可減小對測量結(jié)果的影響。在密封面上重復(fù)測量10次，得出平均值。

3? ? 體板硬度的對比

1#閥體與1#、2#閘板配對，2#閥體與3#、4#閘板配對，3#閥體與5#、6#閘板配對，對3組密封副配對加熱前后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。計(jì)算各項(xiàng)目的平均值，將硬度（HBS）數(shù)據(jù)用柱狀圖（圖1）表示，可以一目了然地對比加熱前后體板的硬度。

由圖1可知，加熱后閘板、閥體密封面的材料硬度都明顯提高。

4? ? 硬度組合分析

對于Cr13系材料，硬度差對抗擦傷性能有顯著影響，每種摩擦副都有一個(gè)耐磨性能較好的硬度范圍。硬度對抗擦傷性能的影響主要表現(xiàn)為：（1）對Cr13系配對，主要是通過硬度差和硬度分配表現(xiàn)出來，硬度的高低對抗擦傷性能影響不是很大，不能片面地認(rèn)為只要硬度越高，抗擦傷性能就越好。硬度也不能太低，要保證具備耐磨性能較好的金相組織，配對密封面的最低硬度不得小于HBS280。（2）硬度通過金相組織表現(xiàn)出來。將Cr13材質(zhì)進(jìn)行加熱處理，硬度由HBS150提高到HBS350，抗擦傷性能就大大提高。

根據(jù)數(shù)據(jù)和實(shí)際裝配可知，第三種閘板和閥體硬度組合下密封效果比較好，硬度差在HBS50～HBS60。

5? ? 定性分析Cr13材料熱處理的可行性

（1）在Cr13系4種配對中以3Cr13—2Cr13、3Cr13—1Cr13為好，18-8型（0Cr18Ni9）組成的密封副抗擦傷性能一般。文獻(xiàn)[1]提供了幾種配對的抗擦傷性能，如表1所示。

（2）從工藝方面看，氮化處理能顯著提高密封副的抗擦傷性能[2]。

（3）Cr13系材料耐磨性能好，但金相組織結(jié)構(gòu)簡單，屬于回火馬氏體組織，含少量鐵素體，無其他化合物，形成不了致密的、高強(qiáng)度的多相化合物組織，它們形成的配對，互溶性大，粘著傾向大，因而Cr13系摩擦副不抗擦傷。但如果采用表面處理工藝，如表面化學(xué)處理、噴鍍、堆焊等工藝，可使摩擦副表面生成互溶性小的組織，防止粘著磨損的發(fā)生。

Cr13密封面經(jīng)過加熱后，硬度和耐磨性能都大大提高，試驗(yàn)表明，在工藝、設(shè)備條件成熟的情況下，應(yīng)用這種匹配的密封面材料具備可行性。

6? ? 現(xiàn)有條件下熱處理的局限性

由于設(shè)備及工藝的局限性，此次閘板密封面熱處理只能用手工焊接炬作為火焰加熱工具，雖然這種裝置設(shè)備簡單，生產(chǎn)成本低廉，但是火焰溫度、速度等工藝參數(shù)較難控制，所以熱處理后表面的性能不均勻，靈活性大，很難達(dá)到要求的性能。熱處理質(zhì)量主要取決于操作者的技術(shù)水平和生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，冷卻介質(zhì)、冷卻時(shí)間、冷卻速度也是很難控制的，難以達(dá)到工藝所要求的表面質(zhì)量。因此，努力提高機(jī)械化、自動(dòng)化程度，嚴(yán)格工藝要求是提高火焰加熱表面淬火質(zhì)量的關(guān)鍵。

7? ? 措施改進(jìn)

（1）火焰加熱溫度高、速度快、所需時(shí)間短，因而熱量由表面向內(nèi)部傳播的深度淺，所以最適用于處理硬化層較淺的工件。淬火后表面清潔，無氧化、脫碳現(xiàn)象，同時(shí)工件的變形也較小。近年來，由于采用新型的溫度測量技術(shù)以及機(jī)械化、自動(dòng)化的火焰表面淬火機(jī)床，工件的表面質(zhì)量得到了保證，生產(chǎn)技術(shù)也不斷發(fā)展。

此次試驗(yàn)使用的是火焰槍加熱，存在受熱不均勻的問題。為提高密封面淬火質(zhì)量，減小變形，可設(shè)置回轉(zhuǎn)平臺(tái)或加熱工裝，增加火焰槍數(shù)量，保證受熱均勻。在熱處理過程中，如果單靠一桿加熱槍加熱，效率會(huì)很低，但是若將加熱槍的數(shù)量增加，采用特制的加熱器，則效率可顯著提高。加上如圖2所示的回轉(zhuǎn)平臺(tái)穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)，可保證熱處理表面溫度均勻，處理后表面性能均勻，并大大降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高熱處理效率。

（2）溫度測量。紅外光電高溫計(jì)作為常用的高精度輻射溫度檢測器，可通過探測被測對象表面所發(fā)出的紅外輻射能量，轉(zhuǎn)化成與表面溫度相對應(yīng)的電信號(hào)輸出，并對探測元件的環(huán)境溫度影響進(jìn)行補(bǔ)償，具有測量精度高、響應(yīng)速度快、性能穩(wěn)定、測溫范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。此次試驗(yàn)可采用便攜式紅外溫度計(jì)，將被測物體輻射的紅外能量轉(zhuǎn)換成溫度值直接在液晶屏上顯示出來，讀數(shù)直觀，操作簡便，其外形小巧、便于攜帶，適用于現(xiàn)場測溫。

（3）冷卻方式的選擇與實(shí)施。常用的冷卻方式有水冷、油冷、空冷。對比水冷和油冷，冷卻時(shí)間：因?yàn)橛偷睦鋮s速度較水慢，所以油冷的冷卻時(shí)間比水冷長;淬火硬度：水冷高，油冷低;淬火變形：水冷大，油冷小;淬火開裂傾向：水冷大，油冷小;淬硬層深度：水冷深，油冷淺;沖擊功：水冷低，油冷高;環(huán)境污染：水基本上沒有污染，廢油有污染且油煙也有污染，還存在發(fā)生燃燒的安全隱患;生產(chǎn)成本：水成本低，油成本高。綜合比較，可選用空冷或水冷的方式，不僅能夠滿足硬度需求，而且工藝簡便。另外，如果刀具切削不動(dòng)的話，可能需要更換刀具，宜選用YW類或立方氮化硼刀具。

（4）不同硬度差的抗擦傷試驗(yàn)。擦傷試驗(yàn)機(jī)可模擬閘閥運(yùn)動(dòng)形式以測試閘閥密封面材料各種組合（配對）的抗擦傷性能。根據(jù)文獻(xiàn)[1]可知，摩擦副的硬度差對擦傷性能起著突出的影響作用，因而閥門密封副的硬度差選定是否得當(dāng)，對閥門的使用壽命有著重要影響。就Cr13系材料來說，其抗擦傷性較好的硬度差為HRC11～HRC16。摩擦副中元件的硬度不能太低，其真實(shí)接觸應(yīng)力不應(yīng)超過材料的壓縮屈服極限，使摩擦副在整個(gè)摩擦過程中處于彈性狀態(tài)，才有助于延長摩擦副的壽命?？赏ㄟ^擦傷試驗(yàn)機(jī)選取合適的摩擦副配對材料，減少生產(chǎn)和工藝上的重復(fù)。

（5）殘余應(yīng)力的測量與消除。密封副產(chǎn)生的密封力將與截面殘余應(yīng)力疊加，使密封面某些部位提前達(dá)到屈服強(qiáng)度并發(fā)展為塑性變形，如繼續(xù)增加荷載，則只有截面彈性區(qū)承受荷載的增加值，而塑性區(qū)的應(yīng)力不再增加。所以，構(gòu)件達(dá)到強(qiáng)度極限狀態(tài)時(shí)的截面應(yīng)力狀態(tài)與沒有殘余應(yīng)力時(shí)完全相同，即殘余應(yīng)力不影響構(gòu)件強(qiáng)度。由于密封面塑性區(qū)退出受力和發(fā)展為塑性變形，殘余應(yīng)力將降低構(gòu)件的剛度和穩(wěn)定性。殘余應(yīng)力特別是焊接殘余應(yīng)力與荷載應(yīng)力疊加后，常使鋼材處于二維或三維的復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下受力，將降低其抗沖擊斷裂和抗疲勞破壞的能力。

可采用盲孔法測殘余應(yīng)力[3]，圖3所示的振動(dòng)時(shí)效處理不僅能夠減小和均化殘余應(yīng)力，還可提高工件的抗變形能力;振動(dòng)時(shí)效還可以略微降低工件的硬度，有利于切削加工。

8? ? 結(jié)論

（1）根據(jù)測量，閘板、閥體的硬度比淬火后Cr13系材料低，但是硬度差在抗擦傷范圍內(nèi)，因此也能很好地實(shí)現(xiàn)密封。（2）經(jīng)過加熱后，Cr13系材料的硬度顯著提高，抗擦傷性能也得到了提高。因此，在目前的生產(chǎn)條件和技術(shù)條件下，可以運(yùn)用這種密封副來降低生產(chǎn)成本。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 陳元芳，方本孝，張洪文，等.閥門密封面配對的試驗(yàn)研究[J].化工與通用機(jī)械，1980（2）：15-23.

[2] 方本孝.提高閥門密封副耐擦傷性能的研究[J].流體工程，1984（1）：10-15.

[3] 程曉宇，王曉梅.殘余應(yīng)力的本質(zhì)及其調(diào)整[J].全面腐蝕控制，2009，23（7）：33-35.

收稿日期：2021-11-18

作者簡介：韓曉君（1989—），女，山西介休人，碩士研究生，工程師，研究方向：閥門設(shè)計(jì)與制造。