阀门密封面堆焊材料综述

阀门密封面堆焊材料综述魏巍（华东理工大学，上海200237）摘要：从研究阀门密封面堆焊材料的必要性出发，对阀门密封面堆焊材料进行全面讨论。

对我国阀门密封面堆焊材料的发展史及研究现状进行了总结概括。

通过对阀门密封面时效机理与堆焊材料实验方法的分析，提出了堆焊材料的选择原则。

通过阐明需解决的关键问题，提出了堆焊材料研究的发展放向。

关键词：阀门；密封面；堆焊；堆焊材料引言阀门在国民经济各项领域中有着广泛的作用，有流体输送、的工况就有管道，有管道的地方必然有阀门，在石油、天然气、化工、煤碳、给排水、供热、农田排灌、冶金、火电，核电以至军工等系统中都大量使用阀门。

因此阀门是国家经济建设和国防建设不可缺少的重要机械产品，为了实现阀门的有效控制，阀门的安全性和可靠性是十分重要的，阀门应具有选材合理，强度可靠，密封稳定，动作灵敏等基本要求与功能，只有选材合理，强度可靠，才能保证阀门耐工况介质的腐蚀和适用工作温度和压力，强度不可靠与动作不灵敏都可能会造成阀门本身或系统的破坏而产生重大事故以致人身伤亡，密封性能的不稳定将直接影响阀门的寿命而产生介质的内泄或外漏，会造成经济损失与环境污染。

阀门密封面质量是影响阀门寿命的主要因素之一。

为了提高阀门产品的使用寿命，许多国家都在密封面材料的研究方面狠下功夫。

1、我国阀门密封面堆焊材料的发展史及研究现状我国阀门密封面堆焊材料和堆焊工艺研究是从60年代初开始的。

随着大庆油田的开发，阀门需要量骤增。

油田用户普遍反映阀门存在两大质量问题。

一是密封面质量不高，表现为内漏，造成许多重大质量事故；二是阀门填料质量不好，表现为外漏。

短期报废的阀门堆积如山，给油田的开发造成了巨大损失。

70年代初，原第一机械工业部向有关研究单位和阀门厂下达了阀门基础件——阀门密封面寿命攻关计划。

从此阀门堆焊材料，工艺性能试验方法的研究有了迅速发展。

阀门生产初期中温中压密封面多采用 18—8不锈钢焊条堆焊，认为它抗腐蚀}生能好，能满足阀门油、汽、水介质的使用需要。

据油田用户反映，密封面硬度太低，阀门使用寿命很短。

阀门制造厂参照国外文献报导。

开始选用2Cr13不锈钢作为阀门密封面材料，并认为2Cr13经淬火处理可以提高硬度硬度越高阀门使用寿命越长。

经过一段时间的实践后证实，2Crl 3的闸阀密封副抗擦伤性能并不好，使用寿命不理想，只有密封副的硬度在 l3—15HRC之间，2Cr13材料的抗擦伤性能才较好。

但是堆焊这种材料需要预热，堆焊工艺复杂。

这期间我国有关单位成功地研究了一系列高寿命的铬锰系手工堆焊焊条和自动堆焊用的高合金粘结焊剂(旧称陶质焊剂)，并迅速大批量地用于阀门堆焊生产。

同期有关研究单位和阀门生产厂先后研制成功几种高温、高压电站阀门密封面堆焊用的焊条，并迅速用于生产，填补了国内外的空白。

70年代末和 8O年代初，有关研究单位又对Crl3系材料不同硬度差配对的阀门密封副进行了擦伤试验研究；对阀门密封机理以及对影响阀门密封副使用寿命的各种因素进行了系统的研究。

在阀门密封理论研究方面，取得较大发展。

8O年代，阀门密封面埋弧自动堆焊用高台金粘结焊剂的研究又取得了较大的进展新型的铬锰硼型高台金粘结焊剂的出现，使阀门密封面堆焊金属硬度稳定，阀门使用寿命进一步提高。

高寿命的铬锰型台金粉末和其他合金粉末的研制和推广，推动了阀门密封面等离子弧堆焊技术的迅速发展。

8O年代是粉末等离子弧堆焊技术大发展的时期，阀门堆焊用粉末等离子弧堆焊机的机构和电控系统迅速完善。

在这期间，这种专用设备的电控系统发展很快，从继电器控制到晶体管控制，现在已向微机控制发展。

80年代中期到 9O年代是我国焊接材料行业迅速发展的时期，焊接材料品种数量增加较快。

粘结焊剂在我国阀门堆焊生产中已经应用了几十年，近年来，烧结焊剂在国内焊接生产中的应用也逐渐增多。

2、阀门密封面擦伤机理与堆焊材料试验方法(钢制阀门3)擦伤、冲蚀与腐蚀等均会破坏阀门密封面。

密封副材料成分和金属组织、表面处理工艺、硬度与硬度差、比压和吻合度等诸多因素，都能影响阀门密封面的质量。

研究密封面失效的主要形式，分析产生失效的原因，是研究提高质量与使用奉命的有效途径。

2.1试验方法选择在直动式擦伤试验机上初选不同材料，进行擦伤试验。

选用阀门行业最常用的钴基合金材料 (D802)和高硬度的 2Cr13合金材料堆焊试块，做为对比试验的靶子，在相同条件下进行擦伤对比试验。

经过多次大量对比擦伤试验，选出堆焊材料再堆焊 DN100闸阀密封面与堆焊钴基合金和 2Cr13合金阀门，在相同口径、相同介质条件下进行大流量带压差的阀门寿命试验装置上进行寿命对比试验，将精选的阀门堆焊材料再做其他性能试验，最后将选出材料堆焊成阀门送往阀门用户进行工况运行对比考核。

如果研究的是高温材料，在试验室内先做高温擦伤对比试验和各种性能试验，最后将选出的材料堆焊成阀门，在相同口径、相同介质条件下进行工况考核。

2.2 失效形式分析通过大量试验结果证明，阀门密封面的磨损性质是以金属磨损为主兼有磨粒磨损。

阀门密封面的破坏有擦伤、划伤和垫伤三种失效形式。

堆焊材料抗擦伤性能取决于堆焊金属化学成分和金相组织。

抗划伤和垫伤的性能取决于堆焊材料的硬度，因此堆焊材料的化学成分和金相组织是关键的，堆焊材料的硬度次之，那种认为密封面材料硬度越高抗擦伤性能就越好的看法是不正确的。

应当指出，堆焊金属密封面的硬度不能太低，因为阀门工况介质中都含有一定量的杂质，硬度太低密封面抵抗划伤和垫伤的能力下降，一般密封面的硬度≥30HRC。

较为合适的硬度为 32～40HRC。

当硬度≥40HRC时，硬度偏高，给加工和堆焊工艺都带来相当的困难。

目前国内阀门大致分为 11类：即闸阀 (包括平板闸阀)、截止阀、节流阀、球阀、蝶阀、隔膜阀、旋塞阀、止回阀、安全阀、减压阀和疏水阀。

阀门密封面采用合金材料堆焊的主要有闸阀、止回阀、球阀、蝶阀、截止阀、节流阀、安全阀和减压阀8大类。

阀门密封面的特点和失效型式有擦伤、划伤、垫伤等，冲蚀和冲击的失效形式见表8。

2.3 影响密封面寿命的其他因素(1)比压对抗擦伤性能的影响比压对抗擦伤性能有着极大的影响。

因一对磨擦副，提高比压，抗擦伤性能显著降低。

(2)吻合度对抗擦伤性能的影响吻合度是影响密封面比压的重要因素之一，对抗擦伤性能也有直接的影响。

在介质压力相同的情况下，比压与吻合度成反比，吻合度越小，比压越大，越容易擦伤。

因此要提高阀门密封面的寿命，必须提高阀门密封面的吻合度，以降低比压。

国外阀门标准规定阀门密封面的吻合度为 100％，即阀门关闭时，阀座密封面全部被闸板覆盖。

我国规定阀门密封面吻合度为 60％～70％。

3、堆焊材料（我国阀门密封面堆焊合金现状及发展2.1）在阀门密封面部位堆焊一层具有特殊性能的台金，其目的是提高阀门密封面的抗擦伤、抗腐蚀、抗冲蚀及抗高温等综合性能，不但降低了成本，而且提高了阀门的使用寿命。

每一种阀门都在不同工作参数下开启和关闭，因此不同的温度、压力、介质又对阀门密封面材料有不同的要求下面对常用的各种堆焊合金作简单介绍。

3.1手工堆焊焊条3.1.1 Cr13系堆焊焊条：Crl3系焊条有D502、D507、D507M0、D512、D517，常用于压力低于 l6MPa，温度低于 450。

c的碳钢阀门密封面堆焊D502、D507、D507Mo属于Crl 3、1Crl3Mo型焊条，堆焊金属抗裂性较好。

D512，D517属于 2Cr13型焊条，堆焊金属抗裂性不佳，为了防止裂纹，需采用复杂的堆焊工艺和焊后热处理。

3.1.2铬锰系堆焊焊条属于该系的焊条有 D516M，D516MA，85号，l37号。

D567，D577等，采用铬锰系统合金堆焊焊条，阀门焊前不需预热，堆焊工艺简单，与使用Crl3系统堆焊焊条相比，可大大延长阀门的使用寿命。

3.1.3铬镍硅系堆焊焊条属于铬镍硅金属系统的堆焊焊条有 D547，D547Mo，D557，9—6D，9—6DB ，9—6D＆等，这些焊条常用于温度低于570 oC，压力低于 14MPa，介质为过热蒸汽的电站阀门密封面堆焊。

3.1.4钴基司太立台金焊条钻基合金堆焊焊条有D802，D812，D842等，这些焊条常用于深孔的阀门密封面堆焊。

3.2 自动堆焊焊剂3.2.11 8—8型台金自动堆焊粘结焊剂我国第一代阀门自动堆焊材料采用1 Crl 3Ni9Ti 盘状焊丝及高碱度粘结焊剂．这种自动堆焊工艺方法使生产效率提高 3～6倍；焊缝成型和脱渣性好，堆焊金属的抗裂性好，在交流电源自动堆焊的情况下，能保证堆焊金属铬元素烧损减少，是 1 8—8型不锈钢大面积堆焊行之有效的工艺方法。

3.2.2 2Crl3MnSi自动堆焊高合金粘结焊剂这种高合金粘结焊剂自动堆焊时配用 H08A 盘状焊丝。

用这种焊剂堆焊时，在含碳量不变的情况下。

靠调整工艺参数改变铬元素的过渡量。

同时由于焊剂的碱度较高，降低了碳、磷含量，从而提高了堆焊金属的抗裂性，在不预热的情况下，可以堆焊DN600[tllrl的碳钢阀门密封面。

3.2.3 2Crl 3MnSN(~p 85号)自动堆焊高合金粘结焊剂’这种高合金焊剂自动堆焊时，配用 H08A低碳钢盘状焊丝，靠电弧燃烧时，从焊剂向熔池中过渡所需合金。

这种合金系统的堆焊合金的抗裂性较好，对使用温度低于450℃，压力低于 16MPa的碳钢阀门是较理想的堆焊材料。

3.2.4 3Crl5Mn9B(即 137号)自动堆焊高台金粘结焊剂这种焊剂在自动堆焊时配用 H08A焊丝，同样是过渡合金型高合金粘结焊剂．137号堆焊合金用交流电源，含铬量在 12％一18％范围内波动，堆焊密封面的硬度和阀门各种使用性能均稳定。

堆焊台金的抗裂性较好，在不预热的情况下，最大可以堆焊 DN600 mm 的碳钢阀门密封面。

3.3堆焊、喷焊用台金粉末3.3.1镍基台金粉末这种台金系统主要分为镍硼硅系统和镍铬硼硅系统该台金熔点低，具有良好的抗磨、抗蚀、抗热和抗氧化等综合性能。

我国在引进国外成分的基础上发展了含铁高的镍基舍金粉末，性能与低碳镍基粉相近，在阀门上得到应用的有 F102， NDG一2等。

3.3.2钴基舍金粉末钴基台金粉末比镍基合金粉末有较高的热硬性、抗氧化性、抗磨性、抗擦伤性、抗腐蚀等性能，尽管价格高，仍为阀门工作者青睐。

3.3.3铁基合金粉末通用阀门仅用于水，汽、油等弱腐蚀介质中，没有必要采用价格昂贵的钴基、镍基材料，针对我国国情研制了一批适合于阀门密封面堆焊用的铁基合金粉末其价格低，使用寿命比2Cr13成倍提高。

对阀门产品质量上等级、上水平起了巨大作用。

这些粉末主要有F326，F31 1，F312，F321，F322及 Fe一3，Fe一4等。

3.3.4 铜基合金粉末铜基合金粉末有良好的减磨作用，特别在输水系统中具有良好的耐擦伤、耐腐蚀性能，因此在中压平板闸阀、低压阀门中有广泛的使用前途，常用于阀门密封面堆焊的有 F422等。