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煤化工用調節閥
來源:陳先生 發布時間:2014-1-14

上海耐派閥門對煤化工是保障我國經濟可持續發展,確保能源安全,同時包含了大量高新技術的行業。煤化工用關鍵控制閥是煤化工工業的核心技術環節。制約煤化工關鍵控制閥不能長周期運行的主要因素是閥門在煤化工惡劣而復雜的運行工況中與流體接觸而產生的磨損問題。煤化工磨損的形成原因復雜,主要包括固液兩相流的流速及黏度對管道的磨損破壞、外部工況的影響,以及閥門結構設計的影響。

 2 國內外研究現狀

    2.1 國內研究現狀

我國煤化工關鍵控制閥行業起步較晚,特別是高參數煤化工關鍵控制閥,其整體技術水平相當于國際20世紀90年代末的水平,依然落后于國際先進水平,不能滿足國內及國際市場的需求。從技術上分析,主要表現在以下幾個方面:1)性能不穩定,不符合市場發展要求,如抗壓差能力低、調節精度低、智能化水平低、壽命短(抗沖刷能力低)等;2)高參數工況,比如高溫、高壓差、強腐蝕、強磨損等場合,控制閥難以滿足使用要求;3)原創性、超越性研發缺乏有效的組織和手段;4)缺乏應用于特殊工況的材料研究和應用;5)滿足特殊結構設計需要的工藝手段的研究相對落后。由于一些大型化、高參數化、智能化、工況復雜化的煤化工關鍵控制閥仍然受制于人,所以煤化工關鍵控制閥技術成為現代工業重大裝備系統集成的瓶頸。

 2.2 國外研究現狀

國外對耐磨性的機理及實驗研究進行的比較全面。J.Ahn通過微觀結構分析及磨損試驗表明,增加磨損負載會提高涂層的磨損率,其中硬度是抗磨損的最關鍵的因素,同時涂層的內部微觀因素(微觀裂縫、形狀等)以及外部因素(負載、溫度等)都起著重要的作用。正是由于這些因素的存在,有些涂層雖然硬度較高,但磨損率相對于部分硬度低的材料更高一些。由于涂層顆粒受載荷影響,相對硬的材料容易破裂,造成涂層中涂層顆粒間的裂縫缺陷,從而影響涂層的耐磨特性。

M.Yandouzi提出增加粒子的沖擊速度和溫度能明顯改善涂層致密度和硬度,但同時要注意碳化物對溫度的敏感性,當溫度高于一定數值時碳化物的性能就開始衰減,因此要盡量控制粒子溫度,讓其低于衰減溫度,降低晶粒的生長。R.C.TuckerJr.采用不同的噴涂方法對WC-Co的材料進行表面噴涂處理,結果發現利用HVOF方法生成的涂層其耐磨率遠遠大于等離子噴涂的耐磨率,通過試驗發現粒子的速度是研究耐磨性的關鍵因素。速度提高,粒子碰撞可產生較好的物理結合和致密率,致密率對于涂層的耐磨性能是非常重要的。

M.Richert在R.C.TuckerJr.研究的基礎上對涂層晶粒的特性進行了分析,認為晶粒致密是耐磨的重要因素。

針對國內對煤化工用閥耐磨涂層的研究存在的技術經驗等不足的問題,本文結合國外的研究成果,對幾種不同的工藝處理方法進行研究,針對不同的工況用閥采用適宜的工藝處理方法,從而解決了國內煤化工用閥耐磨性的問題。

  3 煤化工特殊工況及典型表面處理工藝

    3.1 煤化工特殊工況

煤化工行業閥門控制介質具有如下特點:

1)介質溫度高,輸送溫度為200~500℃;

2)介質固體顆粒硬度高,大部分在HRC60左右;

3)壓差大,最高可達19MPa;

4)煤含有硫,腐蝕性強;

5)固、液、氣三相流同時存在。

一般的金屬不能夠同時滿足耐沖刷、耐高溫、耐腐蝕的要求。碳化鎢、陶瓷等雖然有很高的硬度,但強度不夠,在控制閥應用中經常會被震裂而破壞。奧氏體不銹鋼滲硼的滲層有效厚度目前大部分只能做到10μm以下。因此,耐磨涂層的研究對于煤化工用閥來說是一個比較實用可行的方法。

    3.2 3種典型煤化工表面處理工藝

金屬表面的熱處理工藝很多,但是針對煤化工的特殊工況,主要采用以下幾種典型的處理工藝進行研究。

  3.2.1 等離子噴涂(APS)

等離子噴涂(APS)的過程是利用高壓電弧加熱氣流,從而產生高速的等離子射流。等離子生成氣通常是含有少量氫或氦的氬氣,從而使送入的粉末被有效地加熱和熔融。等離子弧心的溫度通常都高于10000K,粒子撞擊速度可高達250m/s。APS原理如圖1所示。

圖1 等離子噴涂過程

  3.2.2 超音速火焰噴涂(HVOF)

超音速火焰噴涂,在其噴涂過程中,燃料和氧氣在燃燒室內被加壓、點燃并通過擴張式音速噴嘴加速到超音速,形成馬赫錐。最后,顆粒在高速(>400m/s)和相對低的溫度(<2000℃)下噴射,同時軸向進粉,以提供更均勻的受熱粒子。HVOF噴涂通常不需要后續的熱處理,這是因為低氧化性和高速度的顆粒撞擊從而形成了致密、結實的噴涂層。HVOF原理如圖2所示。

圖2 超音速噴涂過程

  3.2.3 等離子堆焊(PTA)

PTA堆焊的過程和氬弧焊(tungsteminsertgasTIG)的過程相似。電弧受到噴嘴制約和保護氣的限制,產生收縮柱狀弧。噴涂類粉末主要是合金和碳化物,通過載體離子氣加入溫度穩定的柱狀弧內。同時,均勻分布的環狀保護氣可以保護焊接區域不暴露于空氣中,減少和防止氧化。在堆焊技術中,PTA對基體堆積層的稀釋率比較低,維持了堆積層的化學特性,最大限度地降低了噴涂零件的熱影響區的融深。PTA原理如圖3所示。

圖3 等離子堆焊過程 3.3 試驗涂層粉料、工藝參數

根據以上3種典型的工藝,試驗過程中采用了多種適合于煤化工工況的粉末材料,其中APS選擇Ni-Cr-B-Si等自熔性合金粉末,結晶溫度在1000℃左右。堆積的噴涂層在950~1100℃被加熱并部分熔融。合金粉末中高濃度的Si阻止了在加熱過程中基體表面和噴涂層的氧化。由于涂層被加熱和部分熔融,所以增加了基體和涂層的結合力。

針對HVOF工藝,本實驗選用含85%WC的鈷鉻合金粉末(WY-M516)。這些粉末主要用于耐磨和耐腐蝕的場合。鉻元素提高了耐腐蝕性,優良的硬質合金顆粒提高了碳化物-鈷基材料的基體耐腐蝕和磨損性能。

PTA堆焊粉末一般選用WC含量60%以上的粉末以及含有Ni-17Cr-Fe-B-Si的合金粉末(WY-SY64)。

綜合以上分析,結合煤化工的特殊工況,選擇不同的粉末材料,具體性能特點及應用如表1所示。

表1 噴涂層粉末選擇

被測試樣件選用尺寸為25mm×80mm×6mm的410不銹鋼。

對于等離子噴涂,選擇SG-100的焊槍,不同粉末的噴涂參數保持不變,如表2所示,噴涂層的厚度為0.4~0.6mm。

表2 等離子噴涂參數

HVOF用DJ2700噴槍,噴涂鈷基碳化鎢,燃料是丙烯,噴涂參數如表3所示,樣品的噴涂厚度為0.4mm。

表3 超音速噴涂參數

PTA堆焊參數如表4所示,堆焊層厚4mm。

表4 等離子堆焊參數

3.4 樣品測試方法及結果分析

    3.4.1 測試方法

磨粒磨損的主要特點:1)磨粒磨損屬于三維磨粒磨損形式,和實際工況的磨損比較相似;2)磨粒磨損的可控參數少,雖然不能夠完全模擬實際工況的參數,但是它的操作簡單,可重復性高,可靠性好。所以在試驗測試階段對樣品進行磨損試驗。

磨損試驗符合ASTM-G-65-85。根據這個技術標準,樣品放于橡膠輪一邊,同時向它們之間注入磨料,對磨料的流速進行控制,示意圖和實物圖如圖4所示。設置循環次數為2000次,另一側加載30磅的載荷進行實驗測試(標準G-65測試的B程序)。樣品磨損前后的質量磨損量由直接稱重計量,精確度為0.001g。在測試前,PTA堆焊的樣品被加工成平整的表面。

圖4 磨粒磨損測試機

   3.4.2 測試結果分析

圖5 噴涂樣品(從左到右)HVOF、APS、PTA

圖5顯示3種工藝樣件,其中HVOF涂層外觀表面致密,APS樣件表面相對疏松,PTA樣件結晶顯示細密堆焊條紋,呈現金屬亮澤。  微觀硬度測試得出HVOF涂層的(WY-M516)硬度是HV=1097,PTA堆焊的硬度是HRC=60.4。

圖6顯示了各類樣品磨損測試后的磨損擦痕。從樣品可以看出,磨損擦痕的大小不僅依賴于工藝方法,還與噴涂材料有關。表5是各類樣品磨損量的測試結果。

圖6 磨損擦痕測試G-65

表5 磨損測試結果(1)(2000轉)

從表6可以看出,APS的涂層耐顆粒磨損的綜合性能略低于HVOF和PTA,原因是:APS過程中粉粒的撞擊速度是250m/s,顆粒之間的機械結合強度遠遠小于HVOF(400~800m/s)的工藝決定了涂層的致密性低于HVOF和PTA。

APS工藝中心弧的溫度高達10000℃,高溫對顆粒特別是硬質相有一定的破壞作用,使WC分解及表面顆粒雜質增多。

APS工藝中,WC的硬質相對顆粒磨損起到雙方面的作用。一方面,由于WC的存在,使得涂層中WC顆粒的硬質相對抗流體的沖擊磨損能力增加;另一方面由于WC相與周圍熔融相之間的結合缺陷,可能造成WC相的整體脫落,從而破壞了APS的涂層。在沖蝕磨損中,隨著沖刷角度的不同,對涂層的破壞機理也不一樣,垂直沖刷往往對沖刷點造成脈動的微觀疲勞變形,造成涂層脫落。傾斜沖刷則是側向的微觀切削和犁削,相對較軟的基體材料被沖蝕掉,接著硬質相被暴露并逐漸與基體之間產生疲勞應力破壞,最終使涂層整體脫落。

表6 磨損測試結果(2)(2000轉)

基于以上這種情況,為了提高顆粒間的結合強度,一般采用APS+熔敷的處理工藝。

從表6可見樣品的磨損量明顯低于單一采用APS處理的涂層,樣品3F和4F的耐磨優越性遠高于樣品3和4,這是因為在熔敷過程中,形成的共晶組織對噴涂層起固溶強化和彌散強化的作用,加強了WC硬質合金相的結合力;并且涂層間的合金相互擴散,加強了涂層的韌性,提高了樣品的耐磨性。另一方面,為了提高耐磨性,可以直接取消硬質相,選用整體耐磨且無明顯內部結合缺陷的材料作為噴涂粉末的選擇,如樣品6F。

如表7所示由于HVOF工藝可以產生致密的噴涂層,經過HVOF噴涂過的樣品2磨損率較小,尤其是樣品5的最小。

表7 磨損測試結果(3)(2000轉)

PTA的涂層比較耐磨,是由于金屬基體在噴涂過程中徹底熔融,與硬質相產生冶金結合。當然金屬基體與硬質相之間巨大的物理性差異,造成其可以容納的硬質相的能力有很大的制約,金屬相的結合能力越強,往往自身的耐顆粒磨損的能力越差。其綜合效果往往造成PTA的涂層耐磨性能介于APS和HVOF之間,但由于PTA有熔池冶金擴散過程,可以形成較均勻的金屬結構的厚壁涂層,所以綜合耐磨能力非常好。

  3.4.3 樣品微觀結構研究

噴涂樣品由鉆石鋸切割、拋光,在電子顯微鏡下分析噴涂層的微觀結構。樣品1F采用等離子噴涂和熔融涂層,粉末用35%WC鎳基自熔性合金,其共晶組織有較高的韌性,同時等離子噴涂的溫度較高,導致碳化物氧化,并溶解在基體里。在等離子沉積層中觀察到了典型的層狀形態,明亮的部分是合金中的WC-Co顆粒。在高倍顯微鏡下可以看到明顯的WC顆粒(見圖7)。

圖7 APS樣件1F(經過溶敷處理)

3F號和4F號樣件的等離子噴涂沉積層含有WC的自熔性合金粉末,微觀結構圖中顯示出相對大顆粒WC顆粒(見圖8),WC與周圍合金形成共晶組織,加強了WC硬質相的結合力,提高了樣品的抗磨性。

圖8 APS樣件3F(左圖、經過熔敷處理)

4F(右圖、經過溶敷處理)樣品6F(見圖9)是Ni-17合金,沒有其它硬質合金相。這種結構比較致密,有少量圓形的孔隙,涂層與基體表面結合緊密。其耐磨性高于使用含有WC顆粒的等離子噴涂涂層。

圖9 APS樣件6F(經過熔敷處理)

和APS噴涂不同,HVOF熱噴涂過程中,粒子的撞擊速度高達800m/s,不會產生過熱現象,涂層受壓應力、密度高,涂層孔隙率低于2%,所以樣品2和5的表面都比較致密沒有孔眼和分層。

從圖10、圖11可以看出,樣品2涂層的微觀結構有2層,分別是金屬基體和WC顆粒;樣品5的噴涂層也有相似的WC晶粒分布。在同等放大比例下,可以看到樣品5的WC顆粒較樣品2的小,而且密度大、孔隙率小,所以樣品5的耐磨性高于樣品2。

圖10 HVOF樣件2(WC-12Co)不同分辨率下的微觀結構

圖11 HVOF樣件5(WC-10Co)不同分辨率下的微觀結構

PTA堆焊層有很大的WC顆粒,且形狀不是規則的圓形(圖12中明亮部分),這些顆粒在整個堆焊層中分布不均勻;同時PTA堆焊時溫度比較高,WC被分解,形成新的物質W2C,W2C比WC脆,使涂層耐磨性降低;但是,從圖中可以看出,WC顆粒有“上浮”現象,在涂層表面附近WC分布比較密集,WC與合金元素形成復合相化合物,使抗磨性增強。

圖12 PTA樣件7(40%WC-Ni-Cr-B)表層區和涂層基體界面處的微觀結構

  4 工程應用

根據以上不同表面處理方法的特點,針對不同的工況和不同的零部件要求進行選擇。

  4.1 PTA堆焊偏心旋轉閥閥體內腔

PTA堆焊主要用于處理型面簡單的零件表面和內壁,被保護面要求具有一定的涂層厚度,耐沖蝕,耐磨損。在煤化工灰水處理現場使用的偏心旋轉閥閥體內腔進行PTA堆焊,材料選取樣件7(40%WC-Ni-Cr-B),堆焊層厚度可以達到2mm。該閥門的使用工況為:灰渣量占介質總量的3%~5%,介質溫度250℃,介質流速可達35m/s。經過PTA處理,該閥門在現場使用狀況良好。據廠家反映,過去采用非PTA工藝的噴涂方式處理的閥體內腔只能使用20多天就被沖刷破壞,現在使用2個多月后的閥體沖刷如圖13所示,未見明顯的破壞痕跡。

圖13 PTA堆焊的閥體內腔使用后效果

  4.2 HVOF噴涂鎖渣閥的閥芯

在煤化工工況使用的鎖渣閥,要求具有高硬度、高耐磨性。所以鎖渣閥的閥芯采用HVOF表面處理工藝,噴涂后表面硬度可以達到HV1100(見圖14)。該閥門的使用工況為:介質溫度270℃,排渣量1057kg/h,灰渣占介質總量的50%,粒度3~50mm。材料選取采用WY-M516(WC-10Co4Cr),要求配合面硬度高,適應溫度驟變工況,并且涂層結合力強。目前該產品性能檢測完成,現已被國內某煤化工項目采納,用于替代國外產品。

圖14 HVOF噴涂后的球芯

  4.3 噴涂加熔敷偏心旋轉閥閥體閥芯

由于普通噴涂的表面附著力不好,所以為提高附著力就要進行第2步熔敷處理,增加材料與基體的結合力,使涂層在使用過程中不會剝落。表面采用WY-W77合金(40WC-Ni-17Cr)。用于煤化工灰水處理工況,由于工況極其惡劣,高溫、高沖蝕,使該閥芯在使用20天后被沖刷破壞。但是在現有的工藝條件內,相對于其他的工藝使用壽命已經提高了3倍以上,如圖15所示是噴涂加熔敷處理的閥芯,使用6個月后損壞的情況。

圖15 熔敷處理的閥芯

 5 結論

本文主要研究APS、HVOF和PTA3種表面熱噴涂方法的噴涂機理,并采用廠家推薦控制參數和推薦粉末來制備樣件,通過對樣件的磨粒磨損測試,觀察、分析涂層性能,依據3種不同工藝特點將它們應用在煤化工用閥上。本文的研究為煤化工用閥提供了分析依據,為以后的煤化工用閥以及其他行業耐磨涂層的發展,提供了技術上的支持。

通過試驗研究,得出以下結論:

1)噴涂層的密度、金屬的氧化性、WC顆粒的大小、分布及間距都是影響涂層耐磨性的關鍵因素;

2)等離子噴涂后熔敷,形成共晶組織,對噴涂層起固溶強化和彌散強化的作用,加強了WC硬質合金相的結合力,耐磨性提高;

3)HVOF的噴射速度大,加工溫度低,金相組織保留完整,WC含量高、致密,孔隙率低,涂層較薄,適合處理硬密封的球芯;

4)PTA堆焊的涂層和基體的結合力較強,WC與合金元素形成塊狀的硬質相,使得涂層具有很高的硬度,耐磨性介于APS和HVOF之間,且涂層厚度大,所以適合于處理閥座、閥體內腔等;

5)將不同的表面處理工藝應用于不同的工況、不同的零部件,應用改善效果非常顯著;

6)部分工況極其惡劣,進一步開發新的噴涂材料和工藝勢在必行。

下一步的研究工作將考慮通過正交試驗、回歸分析等方法對3種表面熱噴涂工藝進行參數優化,并尋找主要因素的影響規律。


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