高温高压阀门用金属自密封环的研制.pdf

文章编号 100225855 2006 0620013203 作者简介张力重,男,高级工程师,从事机械工程的研究。 高温高压阀门用金属自密封环的研制 张力重,王 平 南阳理工学院,河南 南阳473004 摘要 介绍了具有优良使用性能,可替代进口产品的金属自密封环的研制,包括选材、制定 特殊锻造工艺、制定机械加工工艺规程和软化处理等。 关键词 高温高压阀门;金属自密封环;软化处理;研制 中图分类号 TH136 文献标识码 A Development of metallic pressure sealing ring used for high temperature and pressure valve ZHANGLi2zhong , WANG Ping Nanyang Institute of Technology , Nanyang 473004 , China Abstract This paper introduces the developing progress of metallic pressure sealing ring , including selecting material , drawing special forging process , intenerating process and drawing machining pro2 cess.This metallic pressure sealing ring has good using perance , and can replace imported prod2 uct. Key words high temperature and pressure valve ; pressure sealing ring; intenerating; developing 1 概述 高温高压阀门的阀体和阀盖连接一般都采用内 压自紧密封结构。这种结构具有密封性能好,温度 和压力变化时都能良好地密封,中法兰不承受工作 介质的压力和结构紧凑等优点。而密封环是保证阀 门能够正常工作的重要零件之一。密封环采用金属 或非金属材料石棉基、膨胀石墨、碳纤维等制 作。从日本引进的高温高压电站用此类结构的阀 门,其密封环全部采用金属材料,材质为锻造工业 纯铁 D 纯铁 , 其化学成分类似我国的05F钢和 DT1工业纯铁。这二种材料在国内市场上难以买 到,因此一些阀门生产厂家采用1Cr18Ni9Ti或铸 造工业纯铁作为替代材料在一些工况中不能满足设 计要求。根据需要研制出符合性能要求的金属密封 环材料。 2 分析 内压自紧密封图 1 应有足够的预紧力,在 预紧力的作用下,密封环产生弹-塑性变形,对阀 门中腔进行密封。在试验压力或高温高压工作介质 的作用下,密封环发生塑性变形,而且具有良好的 密封性能。因此,从高温高压的工况条件方面选 择,要求新材料必须具备一定的强度、高熔点及耐 热性。从密封性能方面选择,要求新材料的化学成 分和金相组织均匀,硬度低而一致,塑性好,加工 硬化率低,变形抗力小。即新材料应该硬度低,塑 性好,在使用时无需施加较大的预紧力,就可产生 足够的变形,获得满意的密封效果。另外,新材料 还应有足够的强度和韧性,不能有裂纹、砂眼、气 孔、折迭、晶粒粗大、化学成份偏析等缺陷,不能 有较强的加工硬化现象。目前国外用于高温高压的 内压自紧密封阀门的金属密封环材料有工业纯铁、 极软钢、低碳耐热合金、不锈钢及钛合金等。 3 试制 311 材料选择 分析日本密封件公司的产品,其制造金属密封 环的材料除了有D纯铁外,还采用极软钢,其硬度 312006年第6期 阀 门 11 阀体 21 阀杆 31 阀盖 41 密封环 51 垫环 61 四开环 71 压板 图1 内压自紧密封结构 ≤120 HB ,化学成分中C及Mn元素的含量均要高 于D纯铁,使用条件及预紧力与D纯铁相同。由 于极软钢的金相组织是低碳钢一类的材料。而在日 本的标准钢号中,含碳量最低的是S09C和S10C 09 和10号钢 , 和我国标准钢号中含碳量最低的 08和10号钢基本相似。同时,根据文献[3 ]介 绍, S09C和S10C完全退火 900 ℃硬度为109 ～149 HB ,而我国10号钢出厂硬度 ≤137 HB ,退 火硬度 ≤126 HB。综合材料的价格和市场可得性 等因素,确定使用10号热加工用钢作为研制密封 环的材料。 312 毛坯锻造 密封环采用毛坯锻造工艺,这样既可以在节约 材料的前提下获得接近成品形状的毛坯,又可以细 化组织晶粒,增加材料韧性,为材料软化处理做准 备,还可以打乱金属纤维方向,避免各向异性,提 高其工作可靠性。因毛坯形状较简单,尺寸及重量 不大,故采用了在大锻造比 Y 5锤上自由锻 造,并在锻造时注意打乱金属的纤维方向。其锻造 工序如下。 下料高径比 112～21 5 → 加热 → 镦粗 → 锻 方 → 滚圆 → 镦粗 → 冲孔 → 扩孔马架→ 滚圆 → 平 整端面 → 空冷散放 313 热处理 热处理是为了对锻造毛坯进行软化,也即退火 处理。对于亚共析钢来说,有完全退火和等温退火 二种工艺方法,为了选择适合于10号钢表 1 的热处理工艺,先后进行了完全退火和等温退火二 种试验。 表1 试验材料化学成分 材料编号 元素 CSiMnPS 备注 No10111011801300101401016进口 No20113012201560102501034国产 完全退火的工艺路线如下。 加热～900℃,加热时间t加 115D min → 保温 1 小时→ 随炉冷却～600℃→出炉 空冷 根据试验结果分析,采用单一完全退火工艺处 理10号钢,其硬度为110～135 HB ,既可能大于 120 HB ,也可能小于120 HB ,处理效果缺乏稳定性。 等温退火的工艺路线如下。 加热同完全退火→ 保温 1 小时→ 出炉 空冷～660℃→等温转变3 h→随炉冷却 ～600℃→ 出炉空冷 根据试验结果分析,处理效果基本稳定,达到 了预期目标,较为理想。 为了检测试验结果的稳定性,又锻制了6个锻 件。其中No1材料4件,每件可作 28038密封 环2个。No2材料2件,每件可作 15022密封 环2个。两种材料各有一件作试棒,进行力学性能 试验。试件等温退火前后主要力学性能试验结果如 表2。 表2 10号钢试件力学性能 材料 状态 材料 编号 抗拉强度 σB/ MPa 屈服强度 σS/ MPa 延伸率 δ/ 收缩率 Ψ/ 硬度值 HRBHB 测试单位 开封空分厂 郑州机械 研究所 锻后正火No14771524210351570117815131 No254210384152513611586150 等温退火No13891524410371571156210488102 No24331022910301067157311895104 注11 除注明外均由试验单位提供试验数据。 21 开封空分厂布氏硬度计用负荷3 000 kg测定;郑州机械研究所布氏硬度计用负荷1 000 kg测定。 41 阀 门 2006年第6期 从试验结果分析,可得出二个结论。一是试件 的硬度低,塑性指标延伸率,断面收缩率高, 强度适中抗拉强度与屈服极限差较大 , 满足了 密封环对材料性能的要求,可应用于生产。另外, 考虑到退火的目的、零件的工作要求以及退火处理 的生产率及成本等因素,确定将等温退火作为材料 软化的主要热处理工艺。二是在低硬度值的情况 下,即使同一个试件,在不同硬度计上检测,其结 果也相差较大可相差10～15 HB ,所以必须统 一试验结果的检测方式方法。同时,根据试验情 况,对软化热处理工艺作了调整适当提高等温温 度,适当延长等温时间 , 结合生产任务,进行了 第3次试验,共锻制了6种规格62个锻件可作 124个密封环 , 并进行了检测表 3 。结果表明, 经调整后的软化热处理工艺,使试件的硬度明显降 表3 第3次力学性能试验结果 材料 编号 抗拉强度 屈服强度 MPa 延伸率 收缩率 硬度 HRBHB 备注 No13871525217530125651255392 数据为二个试件纵 向和切向的平均值 低,而其他力学性能指标变化较小。 314 机械加工工艺 根据密封环材料硬度低,塑性好的特点,为了 防止成品件加工变形,利于断屑,降低表面粗糙 度,所以在加工车削时,必须留出机加工卡 头,直径较大的毛坯用反爪装卡以增加刚性 , 使用90 右偏刀硬质合金、高速钢均可 , 车刀 前角增大,磨出断屑槽,提高切削速度。结果证 明,这些措施对成品件的顺利加工起到了很好作 用。 4 特性 为了进一步分析研制的软化10号钢的性能, 将其与我国工业纯铁及厂家铸造工业纯铁作了比较 表 4 。由此可以看出,新研制的软化10号钢硬 度和塑性指标延伸率、断面收缩率都达到了我 国YB 200 - 75和GB 983 - 86工业纯铁标准,而 强度又远高于工业纯铁,塑性指标比铸造工业纯铁 高,延伸率高约80 ,断面收缩率高约55 。这 表明软化10号钢,在较高的强度下,具有很高的 塑性,很低的硬度。 表4 性能比较 材料种类 化学成分 CSiMnPS 机械性能 MPa σBσSδΨ HB 备注 电工纯铁DT10104010401150102501030≥275不规定≥26≥60≤131YB 200 - 75 电工纯铁DT3、DT3A010401201301020102////85～123GB 983 - 86 厂家铸造工业纯铁010401064010980101401012324152031518104496920℃ 炉冷5号试样 新研制软钢0111011801380101401016386192471132136814964个试样的平均值 从密封环使用性能要求方面分析,文献[3 ] 中的主要力学性能指标为硬度值,规定D纯铁硬 度 ≤90 HB ,极软钢硬度 ≤120 HB 二种材料的使 用温度均为550℃以下,设计预紧力均为125 MPa。由于软钢的含碳量及含锰量都远高于纯铁 , 所以如果认为软钢越软越好,欲使其硬度也达到D 纯铁的水平,则材料强度将降低,造成晶粒粗大, 塑性变坏,影响密封环的综合使用性能。因此将密 封环的硬度定为 ≤110 HB较为合适,既在实际上 低于日本同类产品,也为今后采用含碳量稍高的钢 作密封环创造了条件。 5 结语 密封环材料的研制成功,解决了生产急需。而 其较低的生产成本,较高的技术附加值,更是为相 关生产厂家带来了可观的利润。但不足之处是该密 封环只能用于在550℃ 以下温度工作的阀门。由于 技术的发展需要,适于更高温度密封环的研究和试 制势在必行。 参考文献 〔1〕 YB 2000 - 75 ,工业纯铁 〔S〕. 〔2〕 GB 983 - 86 ,工业纯铁 〔S〕. 〔3〕 铸锻造 と 热处理 〔J〕. 1991 3 , 51. 收稿日期 20061061 27 欢迎投稿 欢迎订阅 欢迎刊登广告 512006年第6期 阀 门