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摘 要：Orbit轨道球阀跟常规的球阀相比，因轨道球阀开启无摩擦，开启扭矩轻，密封性能好等优点，大量运用于高压较为洁净的气体工况。本文介绍了轨道球阀在使用过程中所出现的故障、损坏现象，并分析原因，提出国产化修复、材质升级方案，并取得良好实际使用效果。
关键字：轨道球阀 阀杆开裂 国产化修复 材质升级
某加氢装置往复式压缩机出口Orbit轨道球阀接连发生故障，出现无法正常开启的情况，此阀门采用全进口，阀门采购周期长，不利于装置维持长周期运行，对失效故障阀门尝试性进行国产化修复及材质升级，是解决现行问题的有效手段。
1 故障现象
以该加氢装置往复机出口轨道球阀为例：某次在开机加载负荷过程中，二级出口安全阀起跳，遂停机切除。经查找分析开机过程的二级出口压力历史趋势，确认确实是超压导致安全阀起跳。
鉴于此前二级出口ORBIT轨道球阀阀门开度指示杆在阀门关闭的时候，指示异常。初步判断是轨道球阀失效，实际未打开，导致二级出口安全阀起跳。轨道球阀经拆解发现：球阀轨道杆有裂纹，轨道部分边缘挤压开裂，轨道杆表面有明显划痕，导向轴与轨道接触部分挤压变形，导向衬套内部有明显挤压划口，阀杆销钉断开。解体后对损坏部件进行光谱分析及硬度测试，均符合原材质SS410的标准规定，说明厂家出厂材质并未存在问题。各部件受损情况如图1所示：
图1 轨道球阀各部件受损图
2 失效原因分析
轨道球阀大致结构如图2所示，ORBIT轨道球阀是一种提升阀杆式阀门，通过提升阀杆，靠上阀盖上的导销和阀杆上的轨道配合，完成阀球抬头、旋转的过程。
图2 轨道球阀结构图
阀门在开关过程中，凸轮阀杆受镶嵌于螺旋槽内的导向销相互作用，使阀杆和阀芯同时旋转90度。从凸轮阀杆轨道变形部位痕迹可知，导向销在凸轮阀杆轨道中滑动不顺畅，尤其在弯道部位相互卡涩，限制轨道发生旋转，长时间频繁开关作用下，使轨道发生磨损变形，由此可见，该凸轮阀杆装配存在缺陷是造成轨道变形的主要原因通过观察划伤的衬套表面痕迹判断，阀门在频繁开关作用下，断裂的止退销脱落后卡在凸轮阀杆及衬套部位，导致阀门开关的扭矩增大，本来变形的凸轮阀杆在受限于导向销的双重作用，最终在多重因素作用下，阀杆在最脆弱的应力集中部位发生断裂。
阀门的使用环境：压力13.0MPa，温度25~110℃，介质为氢气含少量烃类及微量氯离子。
氯离子对410马氏体不锈钢的影响考虑：
表1 采自机出口的油泥杂质组分
CL-会对不锈钢造成点蚀、缝隙腐蚀及应力腐蚀[3]，尤其奥氏体不锈钢尤为敏感。虽然SS410有抗CL-的优势，但有资料文献研究表明，13Cr钢表面形成的钝化膜的主要成分是Cr2O3，而由于CL-在材料局部区域吸附，破坏材料的钝化膜，说明CL-对13Cr的均匀腐蚀和局部腐蚀都有不同程度的促进作用。研究还表明，CL-可以使金属与腐蚀产物间的作用力减弱，同时阻止金属表面有附着力的硫化物生成，加速了金属的腐蚀。因而对于13Cr钢来说，减小CL-浓度，有利于减小或防止孔蚀的发生。从表1采自机出口的油泥杂质组分分析，其中CL-含量为3.10%。高含量的CL-，长时间作用在凸轮阀杆上，对该部位410材质造成一定的腐蚀影响，具体破坏性有多大，有待进一步研究。但控制CL-含量势在必行，否则会对系统流程中奥氏体材质设备、管线势必会造成恶劣影响。
氢原子对不锈钢的影响：加氢轨道球阀处于氢分压很高的环境中，氢以会原子态进入钢材内部，在-100~100℃的温度区间内聚集成分子态之后，一方面在钢材内造成内压与内应力，另一方面氢又使材料弱化脆化（指固溶氢使钢材的表面．能降低易断裂，还可能与材料中的Ti、Zr、V、Nb等元素形成脆弱的氢化物）。这样将使材料的脆性上升，塑性与韧性下降，变得易裂易断。氢在材料内部扩散、聚集，当H含量达到一定临界浓度时，使金属原子间的结合力下降。加上受到阀杆阀杆销钉等部件的相互挤压造成裂纹、变形以及划痕等
销钉受力分析：阀杆销钉受手轮经阀杆传导的剪切力，阀杆销钉材质为SUH660，国内牌号0Cr15Ni25Ti2MoA1VB，抗应力腐蚀性好，为典型的非热处理硬化性铁素体系不锈钢。条件屈服强度σ0.2（MPa）：≥590，抗拉强度σb（MPa）≥900。手轮半径为25cm，阀杆外螺纹端半径1.6cm。剪切处接触面积约为A=6.3×9.5=59.85；
作用于阀杆销钉力N为：
N=25/1.6×P=15.6P（P为人施加于手轮的力）
[σ]=σ0.2/n，对于塑性材料n取1.5
[σ]=590/1.5
Nmax/A≤[σ]；P≤1506N
正常人用手操作手轮时不会产生如此大的力，一般为300-500N。但是氢在材料内部扩散、聚集，当H含量达到一定临界浓度时，使金属原子间的结合力下降。或在阀门开关的时候，使用额外的大扳手关死卡死时，则会使阀杆销钉断裂，从而导致阀门失效。
3 阀门修复方案
在修复中，轨道阀杆、阀杆导销采取材质局部升级措施，材质局部采用激光熔覆司太立钴基高温硬质合金钢，防止轨道或阀杆导销变形。
修复方案如下：
（1）轨道球阀解体及清洗
（2）加工轨道阀杆一件（SS410+司太立12）
（3）加工阀杆导销2件（SS410+司太立6）
（4）加工导向衬套1件（SS410）
（5）加工φ8x68止退销1件（SUH660）
（6）外协阀盖波齿垫片（SUS347+柔性石墨）
（7）填料环制作及采购柔性填料，填料由国产代替进口GP-6
（8）阀体止口密封面加工
（9）加工试压盲板2件（DN150，1500LB）
（10）修复伞齿轮箱
（11）装配试压
对导向销材质局部升级：采用SS410+stellite6#方案，如图3所示，将与导轨接触部分，利用激光溶覆技术，溶覆stellite6#，L=10mm，δ=1mm。
图3 导向销与导轨接触部分熔复stellite6#
对凸轮阀杆螺旋轨道部分升级：凸轮阀杆进行硬度及材质检验后，为防止凸轮阀杆变形或弯曲，材质局部升级采用激光熔覆技术，对凸轮阀杆螺旋轨道部位材质局部升级采用SS410+stellite12#方案。如图4所示。
图4 轨道部分熔复stellite12#
对阀门大盖密封改造：内部构件全部加工完，经装配合格并反复开关顺畅自如后，保证阀门密封完好性成了关键。因原厂垫片规格型号为φ257×φ285×0.6、304+GRAF，厚度仅为0.6m的异型垫片，紧急自国外采购周期过长，且咨询国内无该类型垫片应用，不能保证密封有效性。经论证，决定对阀门大盖在保证强度的前提下，对密封面机加工处理，经核算后深度保持2.6+0.1mm，垫片实际尺寸为φ257×φ307×2.6+0.1制作成石墨波齿复合垫片，以保证密封完整性。
轨道球阀中体密封面改造如图5所示。
图5 轨道球阀中体密封面改造
410不锈钢，经淬火处理硬度最高可达HRC45，但一般采用调质为常见热处理规范，硬度范围为HRC22至HRC28。
Stellite6#焊丝是Co-Cr-W堆焊合金中C及W含量最低、韧性最好的一种。能承受冷热条件下的冲击，产生裂纹的倾向小，具有良好的耐蚀、耐热和耐磨性能。主要用于要求在高温工作时能保持良好的耐磨性及耐蚀性，堆焊层硬度HRC：40~45。
Stellite12#焊丝在Co-Cr-W堆焊合金中具有中等硬度，耐磨性较好，但塑性稍差，具有良好的耐蚀、耐热及耐磨性能，在650℃
左右高温下仍能保持这些特性，堆焊层硬度HRC：45~50。增加其耐磨性。
经现场实践试用，改进后的轨道球阀，保证了阀杆在正常生产工况下的有效运行。
4 经济效益分析
加氢装置轨道球阀的国产化修复缩短了维修周期，节约了维修费用，保证了装置的长周期运行，经运行现场实践使用三年，未发生轨道球阀再次失效故障，达到长周期运行要求，可进行装置其余部位轨道球阀的修复推广。
来源：调节阀信息网
转载请注明：电子人社区 | 
发表于 2017-10-24 08:43:50
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