新型双向硬密封大口径旋球阀性能实验分析
雷吉平1, 2，鄂加强1，陈健美2
(1. 湖南大学 机械与运载工程学院，湖南 长沙，410082；
2. 湖南涉外经济学院 机械工程学院，湖南 长沙，410205)
摘要：为提高新型双向硬密封大口径旋球阀的密封性能，采用双层辉光离子渗金属技术使其球密封面硬化，并对其球密封面的抗擦伤性能和静压寿命进行实验。研究结果表明：硬化后的新型双向硬密封大口径旋球阀球密封面的硬度较高，测量各点的硬度均在42以上，其中，硬度为56的硬化厚度达到0.2 mm，硬度为51的硬化厚度达到0.3 mm，硬度为46的硬化厚度达到0.6 mm；该技术能够同时有效确保其球密封面的硬度和硬化层厚度，能够使其球密封面的抗擦伤性能和静压寿命得到有效提高。
关键词：新型双向硬密封大口径旋球阀；球密封面；双层辉光离子渗金属技术；硬度；静压寿命
中图分类号：TK730.4 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2013)05-1849-06
Experimental analysis of seal performance for new-type large diameter rotating ball valve with bidirectional metal sealing
LEI Jiping1, 2, E Jiaqiang1, CHEN Jianmei2
(1. College of Mechanical and Vehicle Engineering, Hunan University, Changsha 410082, China;
2. School of Mechanical Engineering, Hunan International Economics University, Changsha 410205, China)
Abstract: In order to enhance the sealing performance of a new-type large diameter rotating ball valve with bidirectional metal sealing, the ball sealing surface of the value was hardened by using the double glow plasma surface alloying technique. The anti-scuffing property and static pressure lifetime of the ball sealing surface were also studied. The hardening test results reveal that its hardness is higher and above 42 in all measurement points. The depths of the hardened layer on hardness of 56, 51 and 46 reach 0.2 mm, 0.3 mm and 0.6 mm, respectively, indicating that this technique can effectively ensure hardness and thickness for the ball sealing surface. This technique can improve the anti-scuffing property and static pressure lifetime.
Key words: new-type large diameter rotating ball valve with bidirectional metal sealing; ball sealing surface; the double glow plasma surface alloying technique; hardness; static pressure lifetime
阀门作为“管路的咽喉”在工业生产、航天航空、交通运输和人民日常生活等领域得到广泛应用[1-2]。大口径阀门是流体管道中能耗很高的流体机械，目前，对大口径阀门实施节能及高性能优化设计已成为大口径阀门技术研究的焦点之一[3-6]。但现有的大口径阀门密封面仍存在硬度较低、压力损失较大、密封性能较差等缺点，因此，急需研究开发一种硬度较高、压力损失小、密封性能好的大口径阀门密封面。新型双向硬密封大口径旋球阀采用2Crl3不锈钢作为其球密封面材料，为提高其球密封面抗擦伤能力以及抵抗硬质磨粒对2Crl3材料球密封面擦伤的能力，2Crl3材料球密封面必须具有一定的硬度，并且硬化层应有一定的厚度，但是，常用的盐浴炉淬火、高频淬火、氧乙炔火焰淬火、等离子弧淬火等硬化工艺达不到2Crl3球密封面的硬化要求[7-10]。目前，对于2Crl3材料的球密封面硬化多采用超音速喷涂碳化物工艺或喷焊硬质合金工艺，但是，超音速喷涂碳化物工艺技术要求较高，且工艺成本投入较大，而硬质合金喷焊层厚度不均匀，偏差一般在0.5 mm左右，易造成加工量大，这些局限性严重限制了上述硬化工艺在球密封面硬化工艺上的应用[11-14]。双层辉光离子渗金属技术是一种等离子表面冶金技术，该技术与传统的渗金属工艺相比具有适用面宽、成本低、无污染、可渗高熔点金属元素的优点，是金属基体表面改性的一种新技术，并已在手工锯条齿部硬化上得到应用[14-18]。为此，本文作者将双层辉光离子渗金属工艺应用于2Crl3球密封面的硬化，并对其球密封面的硬化以及静压寿命进行实验研究。
1 新型双向硬密封大口径旋球阀密封面工作机理
新型双向硬密封大口径旋球阀密封面工作总成(包括阀体和阀座)和阀板总成(阀板、阀杆和阀杆端密封件、驱动机构)构成，其新型双向硬密封大口径旋球阀密封面示意图如图1所示。阀板密封面类似球阀，为正球面，相当于球体两端直接切除余下的部分。阀板固定于阀杆上，在外部驱动机构作用下，围绕阀杆轴线转动，作为阀门启件和闭件。阀座不与阀体连为一体，为1个单独的零件，在介质作用下可沿阀体轴线移动。阀座密封面为圆环锥面，阀门关闭时密封面为线接触密封。阀芯的密封面为三次曲面，阀座的密封面为一次圆锥面。在密封点处，阀座面实际上是阀芯三次曲面的切面，因而其结合很好，具有自适应(中心自动定位重合)和补偿磨损功能。
图1 新型双向硬密封大口径旋球阀球密封面示意图
Fig.1 Schematic diagram of ball sealing surface for new-type large diameter rotating ball valve with bidirectional metal sealing
新型双向硬密封大口径旋球阀的正向和反向密封原理如图2所示，在反向压力或反向压力大于正向压力时也能使之密封。当正向压力作用时，介质压力推动阀板向前移动，阀杆变形，阀板密封面紧贴阀座密封面传递压力，将阀座推向阀体台阶，使之密封；当反向压力作用时，介质压力推动阀板向后移动，介质压力同时推动阀座向后移动，阀座密封面紧贴阀板密封面传递压力，将阀座推向阀杆极限变形位置，使其密封。
图2 正、反向密封阀示意图
Fig.2 Diagrams of double direction sealing
2 新型双向硬密封大口径旋球阀球密封面硬化性能
2.1 新型双向硬密封大口径旋球阀球密封面硬化技术
2.1.1 设备与材料
新型双向硬密封大口径旋球阀球密封面硬化设备采用双层辉光离子渗金属炉；新型双向硬密封大口径旋球阀球密封面试样材料为退火组织的2Crl3。试样的球径分别为50，45和40 mm。施渗材料为钨丝和碳粉。
2.1.2 硬化工艺
新型双向硬密封大口径旋球阀球密封面硬化工艺路线：双层辉光离子渗金属炉中渗钨→渗碳→油淬→低温回火。
新型双向硬密封大口径旋球阀球密封面硬化工艺参数：于1 000 ℃渗坞4.5 h；渗碳2.5 h，油淬；于180 ℃低温回火2.5 h。
2.2 新型双向硬密封大口径旋球阀球密封面硬化性能实验结果及讨论
2.2.1 实验方法
将经过渗钨、渗碳和油淬低温回火的新型双向硬密封大口径旋球阀球密封面制成金相试样、X线衍射试样以及测定试样心部硬度的试样，X线衍射试样衍射面为距端面100 μm处的截面。用光学最微镜观察金相试样显微组织，测定渗层深度；用X线衍射仪进行相结构分析；用洛氏硬度计(载荷为1. 471 kN)测定礁化层的硬度分布，从试样端面开始测4点，然后每隔0.l mm磨出1个平面再测4点，共测9个平面；用洛氏硬度计测定试样中截面心部硬度。
2.2.2 实验结果
(1) 金相组织和相组成。用X线衍射仪进行相结构分析得出试样经渗钨、渗碳和淬火回火，其显微组织分为3个区域即渗层组织区、过度层组织区和基材组织区，如图3(a)所示，并用金相测微尺测得渗层深度约为0.25 mm。
图3(b)所示为渗层显微组织。由图3(b)可知：渗层中存在针状马氏体组织和白色析出物，细小的白色颗粒状析出物(大小为2 μm左右)弥散分布在渗层中。对其照片显微组织及距端面110 μm处截面X线衍射图谱进行分析，结果表明：渗层的相组成为马氏体+残余奥氏体+铁素体+析出相，析出相中存在W2C形式的碳化钨。
图3 试样显微组织
Fig.3 Microstructures of sample
图4所示为经磨制距端面110 μm处截面的X线衍射图谱分析曲线。分析图4可见：此处存在相当多的奥氏体相、铁素体相，并存在W2C形式的析出相。
图4 距端面110 μm处截面的X线衍射图谱
Fig.4 X-ray diffraction at cross-section distanced end surface 110 μm
(2) 硬度分布。表1所示为试样端部硬化层各截面均匀分布的4个测量点的硬度和此截面硬度均值。从表1可以看出：经硬化处理的试样从端面至0.2 mm处各截面4点硬度较一致，而距端面0.3 mm处截面4点硬度偏差较大，这说明渗层深度应为0.2～0.3 mm，这与金相测微尺测得的渗层深度一致。
表1 ZCr13硬化层各截面4测点硬度
Table 1 Hardness of hardened layer ZCr13 about 4 measurement points
图5所示为试样端部硬化层硬度均值绘制的硬度沿硬化层深度方向的变化曲线。根据硬度曲线变化的平缓性把硬化层分为3个区域：从端面至0.2 mm处为第1区域，该区域硬度高，达到56以上，且硬度变化平缓，只从57降到56；从0.2～0.4 mm处为第2区域，该区域硬度变化较大，从56降到48；从0.4～1.0 mm处为第3区域，该区域硬度变化又趋于平缓。
图5 沿硬化层深度方向的硬度变化曲线
Fig.5 Hardness curve along direction of depth of hardened layer
从表1可见：经渗钨、渗碳和油淬回火处理的2Crl3试样的基体硬度高，达40以上，表层硬化层厚。
3 新型双向硬密封大口径旋球阀球密封面静压寿命分析
3.1 新型双向硬密封大口径旋球阀球密封面静压寿命实验
3.1.1 实验样机
样机l是公称压力为1.6 MPa，公称通径为800 mm，阀板、阀座材质为2Crl3，阀板和阀座的球密封面经渗钨、渗碳和油淬回火硬化处理的新型双向硬密封大口径旋球阀；样机2与样机1具有相同结构尺寸、公称压力、公称通径和材质，不同之处是样机2的阀板和阀座的球密封面经淬火回火硬化处理。
3.1.2 实验方法
新型双向硬密封大口径旋球阀球密封面静压寿命实验系统如图6所示。实验介质为常温水，实验压差为1.76 MPa，驱动装置驱动实验样机做90°开启和90°关闭转动，实验样机完成1次开启和1次关闭称为对球密封面进行1次静压寿命实验，密封面每进行250次静压寿命实验检测1次样机的泄漏情况。2台样机的实验条件相同。
图6 阀门静压寿命实验系统示意图
Fig.6 Schematic diagram of experimental system about static pressure lifetime
3.1.3 实验结果
针对正向流和反向流2种情况，对阀板和阀座的球密封面经渗钨、渗碳和油淬回火硬化处理的样机1进行10 000次静压寿命实验，实验结果如表2和表3所示。在正向流和反向流2种情况下，样机1球密封面均无可见泄漏；实验后经解体观察，阀板和阀座的球密封面都呈镜面光亮，无任何擦伤痕迹。在正向流情况下，对阀板和阀座的球密封面经淬火回火硬化处理的样机2进行静压寿命实验，实验750次后进行第3次检测，发现球密封面开始出现较小泄漏；实验1 500次后进行第6次检测，发现球密封面出现较大泄漏；实验2 500次后进行第10次检测，发现球密封面出现严重泄漏(泄漏量约为总质量流量的5%)。对样机解体进行观察，发现阀板和阀座的球密封面已严重擦伤。在反向流情况下，对阀板和阀座的球密封面经淬火回火硬化处理的样机2进行静压寿命实验，实验750次后进行第3次检测，发现球密封面开始出现较小泄漏；实验1 500次后进行第6次检测，发现球密封面出现较大泄漏，实验2 750次后进行第11次检测，球密封面已出现严重泄漏(泄漏量约为总流量的5%)，经样机解体观察，发现阀板和阀座的球密封面已严重擦伤。这说明当反向压力较大时，新型双向硬密封大口径旋球阀密封性能越好。
表2 正向流时球密封面静压寿命实验结果
Table 2 Experimental results of static pressure lifetime on ball sealing surface with positive direction
表3 反向流时球密封面静压寿命实验结果
Table 3 Experimental results of static pressure lifetime on ball sealing surface with opposite direction
2台样机静压寿命实验结果表明：经渗钨、渗碳和油淬回火硬化处理的阀板和阀座的球密封面抗擦伤性能以及静压寿命远高于经淬火回火硬化处理的阀板和阀座的球密封面抗擦伤性能和静压寿命，表明渗钨、渗碳和油淬回火硬化处理工艺具有确保阀板和阀座的球密封面具有抗擦伤性能优、静压寿命长的能力。
3.2 新型双向硬密封大口径旋球阀球密封面静压寿命实验结果讨论
从表1可见：硬化层深度在0.1 mm以内的渗层区硬度高，不低于57。因此，经渗钨、渗碳和油淬回火硬化处理的阀板和阀座的球密封面，其硬化表面硬度高，不低于57。
经渗钨、渗碳和油淬回火硬化处理的密封面静压寿命实验结果表明：此硬化工艺形成的硬质密封面抗擦伤性能好，静压寿命长，这一特性与密封面所在渗层的组织有关。分析渗层组织可知：渗层组织为多相组织，且渗层中存在着包括硬度很高的W2C在内的弥散分布在渗层中的析出相，这种组织结构大大提高了密封面的抗擦伤性能和静压寿命。
从以上分析结果可见：经渗钨、渗碳和油淬回火硬化处理的阀板和阀座的球密封面具有硬化层厚、硬度高、抗擦伤性能优、静压寿命长的特性，表明渗钨、渗碳和油淬回火硬化处理工艺是新型双向硬密封大口径旋球阀球密封面硬化的有效工艺。
3 结论
(1) 硬化后的新型双向硬密封大口径旋球阀球密封面的硬度较高，测量各点硬度均在42以上。其中硬度为56的硬化厚度达到0.2 mm，硬度为51的硬化厚度达到0.3 mm，硬度为46的硬化厚度达到0.6 mm，表明该技术能够有效同时确保其球密封面的硬度和硬化层厚度，使其密封效果良好。
(2) 采用双层辉光离子渗金属硬化技术能够使其球密封面的抗擦伤性能和静压寿命得到有效提高。
参考文献：
[1] Atashkari K, Nariman Z N, Glc M. Modelling and multi- objective optimization of a variable valve timing spark-ignition engine using polynomial neural networks and evolutionary algorithms[J]. Energy Conversion and Management, 2007, 48(3): 1029-1041.
[2] Vetter J, Michler T, Steuernagel H. Hard coatings on thermochemically pretreated soft steels: application potential for ball valves[J]. Surface and Coatings Technology, 2008, 16(4): 403-413.
[3] Chern M, Wang C C, Ma C S. Performance test and flow visualization of ball valve[J]. Experimental Thermal and Fluid Science, 2007, 31(6): 505-512.
[4] Peiman N, Nataraj C. Nonlinear mathematical modeling of butterfly valves driven by solenoid actuators[J]. Applied Mathematical Modelling, 2011, 35(5): 2324-2335.
[5] Kim S G, Baek S H, Park Y C. Structural optimization for ball valve made of CF8M stainless steel[J]. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2009, 19(1): 258-261.
[6] XUE Guansong, LIN Wang, Baek S H. Multi-disciplinary optimization of a butterfly valve[J]. ISA Transactions, 2009, 48(3): 370-377.
[7] 鄂加强, 李志鹏, 龚金科, 等. 新型双向旋球阀工作过程动力学仿真分析[J]. 湖南大学学报: 自然科学版, 2010, 37(10): 25-30.
E Jiaqiang, LI Zhipeng, GONG Jinke, et al. Dynamic simulation and analysis of the work Process of a new type Rotating ball valve with Double direction metal sealing[J]. Journal of Hunan University: Natural Sciences, 2010, 37(10): 25-30.
[8] Park J Y, Chung M K. Study on hydrodynamic torque of a butterfly valve[J]. Journal of Fluids Engineering, 2006, 128(1): 190-195.
[9] 王志强, 雷吉平, 鄂加强. 新型双向硬密封旋球阀投入风险模糊层次分析评价模型[J]. 中南大学学报: 自然科学版, 2010, 41(3): 988-993.
WANG Zhiqiang, LEI Jiping, E Jiaqiang. Fuzzy analytic hierarchy process assessment model of invest venture for new type rotating ball valve with double direction metal sealing[J]. Journal of Central South University: Science and Technology, 2010, 41(3): 988-993.
[10] 鄂加强, 李志鹏, 袁丁, 等. 新型双向硬密封旋球阀多学科设计优化[J]. 中南大学学报: 自然科学版, 2010, 41(2): 553-559.
E Jiaqiang, LI Zhipeng, YUAN Din, et al. Multi-disciplinary optimization design on new type rotating ball valve with double direction metal sealing[J]. Journal of Central South University: Science and Technology, 2010, 37(10): 25-30.
[11] LIU Xiubo, FU Geyan, LIU Shuang, et al. High temperature wear and corrosion resistance of Co-free Ni-based alloy coatings on nuclear valve sealing surfaces[J]. Nuclear Engineering and Design, 2011, 241(12): 4924-4928.
[12] 雷吉平. 大口径双向流硬密封旋球阀静动力学仿真分析研究[D]. 长沙: 湖南大学机械与运载工程学院, 2010: 45-53.
LEI Jiping. Studying the double direction flow metal sealing large diameter rotating ball valve with statics dynamic and simulation analysis[D]. Changsha: Hunan University. College of Mechanical and Vehicle Engineering, 2010: 45-53.
[13] Liu L Q, Zhang L. Study on a new type of sealing regeneration labyrinth sealing for displacer in cryocoolers[J]. Cryogenics, 2006, 40(2): 85-90.
[14] 鄂加强, 李志鹏, 张长宗, 等. 新型双向硬密封大口径旋球阀现代设计方法与技术[M]. 北京: 中国水利水电出版社, 2011: 34-54.
E Jiaqiang, LI Zhipeng, ZHANG Changcong, et al. Modern design methods and techniques of new-type large diameter rotating ball valve with bidirectional metal sealing[M]. Beijing: China Water Power Press, 2011: 34-54.
[15] 刘汇源. 硬密封高温耐磨球阀关键技术研究[D]. 杭州: 浙江大学材料与化学工程学院, 2008: 31-38.
LIU Huiyuan. Research on key technology for metal-seated high-temperature wear-resistant ball valve[D]. Hangzhou: Zhejiang University. College of Materials Science and Chemical Engineering, 2008: 31-38.
[16] 张百麟. 阀门泄漏的原因分析及其设计选型的优化[J]. 石油化工环境保护, 2003, 26(2): 58-61.
ZHANG Bailin. Reason of valve leakage and optimization of its choice[J]. Petrochemical Environmental Protection, 2003, 26(2): 58-61.
[17] 刘厚君, 祁伟, 张亮, 等. 低温阀门启闭密封实验研究[J]. 低温技术, 2007, 35(2): 99-102.
LIU Houjun, QI Wei, ZHANG Liang, et al. Sealing characteristic experiment research of cryogenic valve closing[J]. Cryogenics, 2007, 35(2): 99-102.
[18] 陈敏, 汤文成, 张逸芳. 阀门密封结构中超弹性接触问题的有限元分析[J]. 中国机械工程, 2007, 18(15): 1773-1775.
CHEN Min, TANG Wencheng, ZHANG Yifang. Finite element analysis of hyperelastic contact problem in valve sealing structure[J]. China Mechanical Engineering, 2007, 18(15): 1773-1775.
(编辑 陈灿华)
收稿日期：2012-05-08；修回日期：2012-07-22
基金项目：湖南省科技计划项目(2011GK3176)；湖南省“十二五”重点建设学科资助项目(080204)
通信作者：雷吉平(1968-)，男，湖南邵东人，高级工程师，从事机械设计及优化研究工作；电话：13974829875；E-mail: jipinglei168@163.com
