使用在特殊场合上选用的哈氏合金钢球阀（金属硬密封球阀）

哈氏合金球阀技术说明浙江摩根阀门有限公司
哈氏合金球阀适用范围
本技术方案介绍适用于：
针对主体材料选用哈氏合金的金属硬密封球阀的技术方案。
（要加上为什么选用球阀的原因，从结构流道优势和流体力学及冲刷腐蚀入手说明）
二、 哈氏合金球阀产品特点
浙江摩根阀门有限公司结合多年的研制与生产经验，对管线球阀已拥有了丰富的设计与制造经验，是管线球阀的专业制造厂商。管线球阀是我公司的主导产品之一，可靠的产品质量，满意的售后服务，使我公司先后成为了中石油、中石化的合格供应商。在长输管线，石油、天然气工业等领域得到了广泛的运用。
我公司设计制造的管线球阀一般分为：分体式软密封管线球阀、分体式金属硬密封管线球阀和全焊接管线球阀。分体式管线球阀通过高强度螺栓连接侧体与阀体。全焊接管线球阀通过焊接方式将侧体与阀体连接。球体都采用固定式结构，阀座采用浮动式设计。
分体式管线球阀通过螺栓连接侧体与阀体，便于安装于维修。设计标准符合API 6D标准，主体材料的温度与压力选择以及较小壁厚的设计符合ASTM B 16.34标准规范。为了保证产品的质量与设计的合理性，产品设计利用SOLIDWORKS建立模型，用ANSYS有限元分析，并不断优化设计。确保了产品的可靠性、经济性以及安全性。
为更好实现产品的高性能，对产品材料的化学成分严格控制，零部件制造采用数控加工，并精确的尺寸检测与严格的工艺要求。
本阀门具有双向密封功能，任何一侧都可以承受全压差，截断介质，并体现较佳密封性能。实现管路的连接与切断功能。
分体式管线球阀在阀杆与填料箱密封处设计了注脂阀，以及在阀座与侧体处设计了注脂阀，起到了二次紧急密封作用，延长了阀门的使用寿命。
阀门具有防火防静电结构，发生火灾时，阀门在大火中温度异常升高，内部软密封材料被烧毁，此时，阀门金属密封结构起到了辅助密封作用，能够有效的控制介质的泄漏量。阀门防火设计完全满足API 607的规范要求。阀门开启与关闭动作过程，球体与阀座之间有相对摩擦，同时产生静电，对于输送易燃易爆介质存在很大的潜在危险。阀门防静电结构可以有效的将球体与阀座之间产生的静电导出。避免了危险的发生。阀门防静电结构设计符合的规定。
阀门的执行机构可以选择气动、电动、蜗轮以及气液联动或电液联动等。也可以按照客户的特殊要求。
三、 哈氏合金球阀方案介绍
1、设计参数如下：
l 公称压力：900Lb；（按客户要求）
l 公称通径： 2”全通径；（按客户要求）
l 主体材料：hastelloy C-276；
l 内件材料： hastelloy C-276+钴基+碳化钨；（球阀用Hastelloy G30）
l 连接形式：按照客户要求；
l 结构长度：按照客户要求；
l 泄漏等级：FCI 70.2 VI；
l 设计标准： ASME B16.34，API6D等
l 适用温度：常温。
2、哈氏合金球阀设计标准
设计规范：设计和制造按ASME B16.34；
阀门结构长度按ASME B16.10；
法兰尺寸按ASME B16.5。
参考标准：
API 6D-2008《石油和天然气工业管线输送系统管线阀门》；
API 598-2009《阀门的检查我和试验》 ；
ASTM A182- 2002a《高温用锻制或轧制合金钢法兰、锻制管件、阀门和部件》；
ASTM A193/A-2001b《高温用合金钢和不锈钢栓接材料》；
API Q1-2007《质量纲要规范》；
NACE-MR-0175-2003 《油田设备用抗硫化物应力腐蚀断裂和应力腐蚀裂纹的金属材料》；
API 607 《阀门火烧试验》等。
（填上哈氏合金标准号）
3、哈氏合金球阀材料的选择
根据氢气特性，阀门主要部件材料选择如下：
阀体、侧盖、：Hastelloy C-276；
球体：Hastelloy C-276+钴基+碳化钨；
阀座：Hastelloy C-276+钴基+碳化钨；（球阀用Hastelloy G30）
阀杆：XM-19；
弹簧：Inconel X-750；（这二项与介质接触，抗腐蚀能力是否可行？）
紧固件：B7+喷氟；
中法兰密封材料：石墨+O型圈（氟橡胶）。（数据表要求在250°C下稳定动行，氟橡胶可行否？）
球体与阀座属于内件，完全暴露与介质之中。阀座与球体之间采用金属硬密封接触。
阀座、球体表面采用先堆焊钴基合金(先热喷钴基合金然后碳化钨再喷钴基合金，厚度达1mm以上，重熔处理)，然后钴基表面再采用世界上较先进的“镍包碳化钨**音速热喷涂并重熔工艺”的硬化处理。提高密封面的耐磨性和硬度及抗冲刷性。
WC是一种高硬度、高强度和高耐磨性兼备的硬质合金，它的粒度一般为0.2～1.0μm以下，大部分在0.5μ,m以下，具有硬质合金的高硬度和高速钢的强度。其硬度不小于HRC68，结合强度不小于70。
本公司生产的硬密封球阀，阀座、球体表面采用镍包碳化钨（在Ni60中加入一定比碳化钨）**音速热喷涂。厚度可达0.5～0.8mm。以保证密封面不受介质及其中棵粒物的影响；降低表面的摩擦系数，提高表面抗磨损性能，它具有耐磨、减摩、耐热、耐腐蚀、摩擦系数低、防咬合等特点，能改善表面性能，提高寿命。

在喷涂后工件整体进行重熔热处理，减少硬质合金表面的孔隙率，提高涂层致密度，增加喷涂的硬质合金与本体的结合力，与底材更牢固地粘结,使其成为一体。可有效地抑制裂纹的产生和扩展，从而提高涂层的硬度和韧性，并获得适当的硬度/韧性比和降低残余应力提高密封面的硬度和耐磨性。从而具有较高的承载能力。从而大大的提高了阀门的使用受命。
（喷涂表面含球流道和阀座流道，冲刷和腐蚀共同做用下，从没有硬化的表面开始）
弹簧材料的选择
为了能够满足工况的需求，抗氢腐蚀，同时又要有良好的机械性能，能够提供密封所需要预紧力，因此采用了inconel X-750合金材料。
阀杆材料的选择
阀杆的设计与球体分离，便于维修，以及更换密封材料。阀杆与球体连接传递较大扭矩。阀杆可以选用高强度的XM-19（耐腐蚀上可能不行），表面镀ENP，提高硬度。
阀体与侧体的密封材料选择
阀体与侧体之间选择夹不锈钢石墨缠绕垫，可以起到密封和防火功能。在阀体与侧体之间增设了O型圈（诺是金属的可以，橡胶类O形圈可能温度上不可以），作为一级密封。缠绕垫作为次级密封。如下图所示：
 
螺栓和螺母的选择
螺栓和螺母选用ASTM A193-B8M和ASTM A194-8M，适用温度范围：-29~180℃。材料符合NACE 标准要求。
4、哈氏合金球阀设计方案结构示意图
 

5、哈氏合金球阀结构特点
本球阀通过球体90°旋转打开或关闭，实现管路的联通与切断功能。
阀门通过阀杆上键与执行机构（电动、气动、蜗轮传动、液动或气液联动等）连接。执行机构输出力矩，传递于阀杆，阀杆带动球体旋转90°，实现阀门启闭动作。
球体与阀座圈之间的紧密贴合，以及合理的材料选择与精密的工艺加工，决定了作为截断介质的较佳密封副匹配。
阀座后面的弹性元件提供了阀座与球体之间密封所需要的较小预紧力。同时，阀座圈的密封面设计满足密封所需的必须比压和许用比压。当阀门在环境温度变换时，球体密封面和阀座密封面产生收缩或膨胀，导致密封效果受到影响。此时，阀座后面弹性元件起到自调节功能，将阀座调整到较佳位置，发挥了阀门较佳密封性能。阀座密封面与球体密封面长期磨损的情况下，压缩量逐渐减少，也影响了阀门的密封效果。此时，阀座后面的弹性元件与介质的作用力将阀座推向球面，压缩量得到了一定补偿，阀座起到了活塞作用。此外，当阀腔压力过大时，为了防止中腔截压过载的危险，具有活塞作用的下游阀座，在中腔压力下阀座被推开脱离球面，中腔压力得到泄放，起到了自泄压功能。（要求压力泄放到上游）这也是活塞阀座的另一功能。阀座的结构设计符合API 6D要求。
本球阀结构属于硬密封球阀。阀门为分体式结构，球体与阀座从侧端装入。
阀体：采用哈氏合金锻钢材料。化学成分和机械性能符合ASME 标准要求。
阀杆是传递阀门扭矩的关键件，阀杆表面加工的光洁度影响整个阀门的扭矩。提高阀杆表面的硬度，可以减小阀杆的磨损。为此，阀杆采用了精加工、滚压、抛光等工艺。阀杆表面光洁度可达Ra 0.2~Ra0.4，阀杆通过镀镍磷工艺提高了表面硬度。
阀杆上设计了防静电结构，保证了球体与阀杆，以及阀杆与阀体之间的金属连接。符合相关设计标准要求。
 
球体与阀座的加工是整个阀门密封性能的关键。球体和阀座采用锻件材料加工而成，球面和阀座密封面先堆焊钴基合金，然后**音速喷焊混合硬质合金。球体在加工中严格控制了球面的圆度，达到0.005mm。球体和阀座密封面喷涂层加厚。密封表面采用High velocity oxy-fuel (HVOF)**音速喷焊之后，利用Spray and fuse (S&F)重熔技术，增强了硬质合金与基体之间的结合力。
球体与阀座使用**设备进行配对研磨。装配之前，再经过技师们的手工研磨和测试，使密封面的光洁度可达0.2以上，以保证球体密封面和阀座密封面** 接触。从而使泄漏等级达到FCI 70-2 VI级（ASME B16.104）。
这种球面与阀座密封面材料匹配以及特殊的密封面加厚层工艺，保证了阀门**命特点。
 
固定球阀的阀座次密封以及阀杆密封的设计，引进了国际先进的唇形密封座（Lipseal）。并结合了自身多年的特种阀门设计研发经验，以及各类金属密封圈的研制经验（如：金属C型圈，空心金属O型圈，金属U型圈等），将其改进，达到了更优密封效果。我公司称其密封圈为：U型弹簧蓄能增压密封圈，并向国家**局申报了实用型**。
浙江摩根阀门有限公司*的U型弹簧蓄能增压密封圈，采用了金属U型圈外面包覆PTFE或PCTFE作为密封材料。取代了使用螺旋弹簧做骨架的唇形密封座（Lipseal），避免了重叠或焊接连接而导致的受力不均现象。U型弹簧蓄能增压密封圈在不同的温度与压力下，经过反复验证，表明受力均匀，密封良好。如下图：

U型弹簧蓄能增压密封圈作为阀座后次级密封，可以实现阀座DBB（或DIB）的功能，符合API 6D设计要求。
阀门在温度剧烈变化中，U型弹簧蓄能增压密封圈可以根据压力与温度的变化自身调节，同时还降低了阀门的扭矩。介质的压力结合金属圈的弹性蓄能为密封比压提供了较小预紧力。巧妙地结构设计，大大的延长了阀门的使用寿命。
阀门阀杆与填料处设计多重密封组合，既设计了柔性石墨防火填料密封，又增加了U型弹簧蓄能增压密封圈，并O型圈辅助密封。保证了阀门填料泄漏等级满足MESC SPE 77/312微泄露试验。密封结构详见小样图。
6、执行机构的选择
分体式固定硬密封球阀的结构设计，可以满足客户对不同执行机构的要求。