之前介紹SY42AX煤礦水管路減壓閥應(yīng)用案例，現(xiàn)在介紹催化劑再生系統(tǒng)金屬硬密封球閥根據(jù)初步統(tǒng)計(jì)，石化和電力行業(yè)中，調(diào)節(jié)閥投資占到管道附件費(fèi)用的50%，而每年大約有10%的調(diào)節(jié)閥產(chǎn)生腐蝕、泄漏，直至報(bào)廢，其中泄漏是閥門失效的主要形式。金屬硬密封球閥適用于高溫、高壓工況及料漿、顆粒介質(zhì)等易磨損工況，具有流動(dòng)阻力小、啟閉迅速、使用壓力溫度范圍廣等特點(diǎn)。但是，當(dāng)介質(zhì)為液固或氣固混合物料且固體顆粒硬度又很高時(shí)，閥門球體和閥體密封面的耐磨性能要求較高，特別是氣固混合介質(zhì)引起的閥門閥座間的干摩擦，極易造成密封面的過度磨損或拉傷而終導(dǎo)致失效。揚(yáng)子石化芳烴廠重整催化劑再生系統(tǒng)采用美國(guó)某公司的高溫球閥，其壽命短則幾天長(zhǎng)則不到一個(gè)月。目前解決的辦法是更換閥門或?qū)η蝮w和閥座密封面進(jìn)行研磨后重新投入使用，但如此頻繁地更換或維修，不僅增加了生產(chǎn)成本和維護(hù)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，且每年因閥門頻繁失效，造成停工、檢修引起的經(jīng)濟(jì)損失達(dá)數(shù)百萬(wàn)元。本文以重整催化劑再生系統(tǒng)中已失效的球閥為研究對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行失效分析，并提出相應(yīng)的改進(jìn)措施以提高球閥的使用壽命。在移動(dòng)床催化裂解裝置上遇到的問題,結(jié)合其他類似生產(chǎn)工況的故障現(xiàn)象,分析金屬硬密封球閥產(chǎn)生故障的原因,提出在選型和球閥生產(chǎn)中的一些看法和建議;從使用者的角度上,剖析問題,希望對(duì)提升國(guó)產(chǎn)球閥的產(chǎn)品質(zhì)量有所幫助。
1 催化劑再生系統(tǒng)金屬硬密封球閥球閥的結(jié)構(gòu)和工作環(huán)境
上海申弘閥門有限公司主營(yíng)閥門有：蒸汽減壓閥,減壓閥(氣體減壓閥,可調(diào)式減壓閥,重整催化劑再生系統(tǒng)用球閥主要有動(dòng)力頭、閥體、閥芯(球體)及其相配合的兩個(gè)環(huán)狀閥座和調(diào)節(jié)螺釘?shù)冉M成(如圖1所示)。其工作原理是動(dòng)力頭帶動(dòng)球體作90°轉(zhuǎn)動(dòng)，球體上的流道也隨之變動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)閥門開啟和關(guān)閉的功能。閥體與兩個(gè)環(huán)狀閥座接觸面與法蘭端面方向各成約6°的傾斜角。通過設(shè)置在底部的調(diào)節(jié)螺釘，可調(diào)節(jié)閥芯與閥體的相對(duì)位置，一方面可部分調(diào)整閥座與閥芯的間隙，另一方面可調(diào)整球閥啟閉扭矩的大小。
初步檢驗(yàn)表明，閥座表面存在十分嚴(yán)重的磨損。流體介質(zhì)(氫氣和氮?dú)?中夾帶的硬質(zhì)粉末主要成分為γ-Al，粉末在通過閥門的過程中部分進(jìn)入閥芯球體和閥座之間的間隙。由于γ-Al粉末硬度很高，且閥門開關(guān)頻繁，硬質(zhì)粉末對(duì)球體和環(huán)狀閥座產(chǎn)生嚴(yán)重磨損，從而造成了閥門的泄漏。圖1 球閥整體結(jié)構(gòu)示意圖、

球閥密封面不僅受到擦傷、擠壓和沖擊等因素的作用，同時(shí)也受到高溫(溫度可達(dá)540℃)、高壓流體的沖刷、腐蝕和氧化作用，實(shí)際工況條件十分復(fù)雜和惡劣，球閥密封面極易損傷。因此，球閥密封副材料的選擇和密封面表面處理狀態(tài)將直接影響球閥的使用壽命。
2催化劑再生系統(tǒng)金屬硬密封球閥 球閥的失效分析
2.1 材料化學(xué)成分分析
表1是球閥各部件材料的成分X射線能譜儀(EDS)分析結(jié)果。由表1可知，閥芯球體材料為Cr13型馬氏體不銹鋼，閥芯球體表面成分和心部成分基本一致，表明閥芯球體密封面未經(jīng)任何表面處理。球體表面含有少量硫元素，主要是因?yàn)榇呋瘎╊w粒表面含有硫，且球閥在高溫條件下工作，硫不斷滲入球體表面，從而造成了合金成分的不同。閥座材料為鎳基合金CY5SnBiM(ASME標(biāo)準(zhǔn)材料)，鎳元素含量約為74%，鉻元素含量約為12%，同時(shí)含有Sn、Bi等低熔點(diǎn)、低硬度有色金屬合金元素，這些元素的存在對(duì)閥座密封面的摩擦性能起到了一定程度的改善作用，但也大大提高了該合金材料的熔煉難度。從閥座表面成分和心部成分基本一致這一測(cè)試結(jié)果可看出，閥座密封面同樣未經(jīng)任何表面處理。閥體合金材料為含Mo的316奧氏體不銹鋼，未經(jīng)表面處理。表1 球閥材料化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

2.2 顯微硬度測(cè)試
球閥各部件材料的顯微維氏硬度測(cè)試結(jié)果見表2。從表2中數(shù)據(jù)可以看出，閥芯球體表面硬度，其硬度為545 HV0.2，球閥閥芯球體心部硬度次之，其硬度為512 HV0.2。閥座密封面硬度為400 HV0.2，心部硬度為175 HV0.2，其表面硬度高于心部硬度的原因是由于閥芯和閥座由于機(jī)械加工以及表面遭受磨損變形導(dǎo)致的加工硬化。閥座由鎳基合金制成，其加工硬化系數(shù)很高，故其表面與心部的硬度差遠(yuǎn)大于閥芯球體。表2　球閥材料維氏硬度測(cè)試結(jié)果(HV012)

2.3 顯微組織分析
球閥閥芯球體顯微組織如圖2a所示。可見，閥芯球體為馬氏體組織，其經(jīng)過淬火和低溫回火熱處理。閥座顯微組織如圖2b所示。閥座基體組織為奧氏體(γ相)，奧氏體組織中有第二相顆粒(Ni-Cr-Sn-Bi金屬間化合物)分布，第二相顆粒硬度略高于閥座母相硬度，可以適當(dāng)提高合金閥座耐磨性能。
　　閥體合金金相顯微組織如圖2c所示。閥體為316不銹鋼鑄態(tài)組織，其基體為奧氏體(γ相)，其上白色短條狀物為殘留鐵素體(α相)。由于介質(zhì)幾乎無(wú)腐蝕，故殘留鐵素體的存在不會(huì)影響材料的使用性能。

2.4　密封面微觀形貌分析
圖3a是已磨損失效的閥芯球體密封面微觀形貌的SEM照片。由圖3a可見，該閥芯球體密封面磨損具有典型的劃傷性磨料磨損特征。當(dāng)硬質(zhì)點(diǎn)在負(fù)荷作用下滑過或者滾過閥芯球體密封面時(shí)，因受壓嵌入密封面，使閥芯球體表面金屬發(fā)生微觀塑性變形。球閥服役周期內(nèi)，這種微觀塑性變形不斷累積，并大量剝離金屬表面，從而造
成閥芯球體表面形狀和尺寸的改變，終導(dǎo)致球閥密封失效。
圖3b是已磨損失效后的閥座密封面微觀形貌的SEM照片。可見，其磨損微觀形貌同樣具有典型的劃傷性磨料磨損特征。由于閥座表面硬度較低，故其微觀磨損痕跡數(shù)量較多，磨損情況相對(duì)閥芯球體表面嚴(yán)重得多。圖2　球閥各部件的金相照片(a)閥芯球體　(b)閥座　(c)閥體圖3　閥芯球體(a)及閥座(b)密封面的微觀形貌SEM照片

3 結(jié)論及改進(jìn)措施
由球閥的化學(xué)成分、硬度、金相組織和密封面微觀形貌分析可知，該球閥為典型的劃傷性磨料磨損失效。失效的主要原因是少量待生催化劑粉末在球閥啟閉過程中進(jìn)入了密封接觸面，由于γ2Al的硬度遠(yuǎn)較球閥密封表面的硬度高，使球閥在頻繁的啟閉過程中產(chǎn)生了較為嚴(yán)重的劃傷，從而導(dǎo)致球閥泄漏失效。

鑒于球閥失效分析的研究結(jié)果，因此，在球閥進(jìn)行再制造時(shí)對(duì)球閥的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，確定了球閥密封副的合理間隙。由于球閥閥芯、閥座和閥體的材料不同，其線性膨脹系數(shù)也不相同，故需合理確定球閥的冷態(tài)和熱態(tài)間隙，使球閥在高溫工況下既能保證有效的密封，又能順利啟閉。另外，采用等離子表面噴涂處理技術(shù)，將球閥密封面上噴涂一層Al2O32TiO2的硬質(zhì)金屬陶瓷涂層，有效提高了球閥密封面的高溫耐磨性，進(jìn)而延長(zhǎng)了球閥的使用壽命。與本文相關(guān)的論文：自力式煤氣調(diào)壓閥組?