CN114152430A - 一种阀座密封面堆焊层的综合性能评价方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种阀座密封面堆焊层的综合性能评价方法，包括如下步骤：（1）根据阀座的用途，确定其工作温度；（2）在阀座工作温度下，进行高低温循环试验，获得阀座密封面堆焊层的耐疲劳、耐高温性能；（3）在阀座工作温度下，进行高温冲击试验，获得阀座密封面堆焊层的耐冲击、耐高温性能；（4）在阀座工作温度下，进行高温摩擦磨损试验，获得阀座密封面堆焊层的耐磨损、耐高温性能；（5）在阀座工作温度下，进行高温固体颗粒冲蚀试验，获得阀座密封面堆焊层的耐冲蚀、耐高温性能。本发明所述评价方法通过多个性能试验，综合、全面评估密封面堆焊层性能是否达标，为阀座密封面堆焊层提供一种评价分析方法。
Description
技术领域
本发明涉及阀座密封面技术领域，具体涉及一种阀座密封面堆焊层的综合性能评价方法。
背景技术
密封面是指启闭件与阀座紧密贴合且具有密封作用的接触面，汽轮机阀座密封面堆焊是汽轮机阀座制造中的重要工艺，阀座密封面堆焊质量在很大程度上决定了阀座的制造质量，同样，密封面堆焊质量在很大程度上决定了阀芯件是否发生故障、失效，决定其服役寿命，密封面是阀座最关键的工作面，密封面质量的好坏关系到阀座的使用寿命，通常密封面堆焊材料要考虑耐高温、耐冲击、耐磨损、耐腐蚀、耐擦伤、抗氧化等因素。阀座密封面的常见故障有泄露、启动不灵活、振动、噪声、零部件磨损甚至产生裂纹发生断裂失效等。一般地讲，阀芯件密封面的设计寿命为30年。但从实际运行情况看，相当一部分核电设备、火电设备还达不到设计寿命的20％，绝大多数是因为各种不易克服的破损或维修效果不佳而提前退役。目前，核电站的阀座需求额将为30亿元，年均需求量为6亿元左右，而每年花费在阀座上的维修费约为1.5亿元。因此，亟需一种能够对汽轮机阀座密封面堆焊层综合性能进行准确有效评价方法。
发明内容
针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于提供一种阀座密封面堆焊层的综合性能评价方法，以解决现有技术对于现行阀座密封面没有专业综合评价方法的问题。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种阀座密封面堆焊层的综合性能评价方法，包括如下步骤：
(1)根据阀座的用途，确定其工作温度；
(2)在阀座工作温度下，进行高低温循环试验，获得阀座密封面堆焊层的耐疲劳、耐高温性能；
(3)在阀座工作温度下，进行高温冲击试验，获得阀座密封面堆焊层的耐冲击、耐高温性能；
(4)在阀座工作温度下，进行高温摩擦磨损试验，获得阀座密封面堆焊层的耐磨损、耐高温性能；
(5)在阀座工作温度下，进行高温固体颗粒冲蚀试验，获得阀座密封面堆焊层的耐擦伤、耐冲蚀、耐高温性能。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1、本发明通过设置高低温循环试验，可以有效的评价阀座密封面堆焊层的耐疲劳、耐高温性能；通过设置高温冲击试验，可以有效的评价阀座密封面堆焊层的耐冲击、耐高温性能；通过设置高温摩擦磨损试验，可以有效的评价阀座密封面堆焊层的耐磨损、耐高温性能；通过设置高温固体颗粒冲蚀试验，可以有效的评价阀座密封面堆焊层的耐擦伤、耐冲蚀、耐高温性能。
2、本发明采用设置的多维度评价试验，可以确保阀座密封面堆焊层的综合性能，确保其使用寿命达标、安全使用；上述益处综合，为汽轮机阀座密封面堆焊层的综合性能提高全方面的评价和分析方法，为汽轮机阀座密封面堆焊层在高温蒸汽中长时间服役的特定工况冲击、磨损、冲蚀下，接触对装的两个阀座密封面的完整性使用及分析预测提供了坚实基础，确保阀座密封面安全可靠使用。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明作进一步说明。
一、一种阀座密封面堆焊层的综合性能评价方法
现有技术方法只能从单一维度的简单评价，单独评价阀座密封面堆焊层某一方面的性能，而避而不谈回避一些对于阀座密封面堆焊层极其重要的性能评价，比如，耐高温冲击性能和耐高温冲蚀性能，现有技术在这两方面几乎没有设计任何试验对其进行评价分析，而能够从多维度对阀座密封面堆焊层的性能进行评价，正是本发明的创新所在。
(1)根据阀座的用途，确定其工作温度。汽轮机阀座处的密封面在服役时一直在蒸汽气氛中，直接受到工作蒸汽的冲击、传热、气蚀等作用。因此可以认为，不同类别的汽轮机阀座密封面的工作温度就是该类别汽轮机的新蒸汽温度。
根据GB/T 754-2007发电用汽轮机参数系列标准，九类汽轮机规定的新蒸汽温度(℃)如下：
a、低压非再热式汽轮机：340℃；
b、次中压非再热式汽轮机：390℃；
c、中压非再热式汽轮机：435℃、450℃、470℃；
d、次高压非再热式汽轮机：435℃、450℃、460℃、470℃；
e、高压非再热式汽轮机：535℃；
f、超高压再热式汽轮机：535℃、537℃、538℃、540℃；
g、亚临界再热式压力汽轮机：535℃、537℃、538℃、540℃；
h、超临界再热式压力汽轮机：538℃、566℃；
i、超超临界压力汽轮机：566℃、580℃、593℃、600℃。
根据GB/T 754-2007发电用汽轮机参数系列标准，九类汽轮机规定的新蒸汽压力(MPa)和新蒸汽流量推荐范围(t/h)如下：
表1九类汽轮机规定的新蒸汽压力(MPa)和新蒸汽流量推荐范围(t/h)
不同规格的汽轮机，其新蒸汽压力和新蒸汽流量不尽相同，但压力均较高、流量均较快，汽轮机阀座密封面受到的高温蒸汽作用影响非常强烈。
(2)在阀座工作温度下，进行高低温循环试验，获得阀座密封面堆焊层的耐疲劳、耐高温性能。
所述高低温循环试验包括如下步骤：将样品表面清洗干净后，放入热处理炉中重复进行多次高低温循环，观察每次高低温循环后样品的堆焊层是否产生宏观裂纹；多次高低温循环后，采用线切割设备切割出大小合适的样品，对样品表面进行打磨后抛光，用腐蚀液对其进行腐蚀，腐蚀完毕后清洗样品表面风干，观察样品堆焊层表面和内部是否产生裂纹，采用扫描电子显微镜观察样品表面的微观组织形貌。其中，一次高低温循环包括如下过程：样品热处理炉中在t1时间内升温至工作温度，随后进行保温，保温时间为t2，保温完毕后进行冷却，冷却时间为t3。
其中，为评价分析在服役失效之前阀座密封面堆焊层及其界面的组织演变、裂纹萌生、裂纹延展等行为，在实际实验时设计两种高低温循环试验，一种是不破坏约束的阀座密封面整体环件的环件高低温循环试验(若阀座密封面实际尺寸较小，可以放进热处理炉中，则以实际尺寸进行高低温循环试验；若阀座密封面实际尺寸较大，不能放进热处理炉中，则等比例缩小，以小尺寸的模拟环件进行高低温循环试验)，一种是破坏约束的小尺寸块体样品的块体高低温循环试验。这是由于，环件高低温循环试验若在每个循环次数节点都准备一个环件，则消耗的试验件数量较多，成本增加；若只准备一个环件，那么只能取到终点循环次数节点的高低温循环样品，若对环件在每个循环节点处切割取样分析，则会破坏整体约束，变量增多且可控性降低，而以破坏约束的小尺寸块体样品来分析中间循环次数节点，评价阀座密封面堆焊层及其界面的组织演变、裂纹萌生、裂纹延展等微观行为。因此，设计环件高低温循环试验和块体高低温循环试验两种高低温循环试验，实现既不破坏环件约束，又能对阀座密封面在不同高低温循环作用次数节点下的微观组织进行分析。前者(环件高低温循环试验)主要评价和预测阀座密封面的服役寿命，后者(块体高低温循环试验)主要评价阀座密封面堆焊层及其界面的组织演变、裂纹萌生、裂纹延展等微观行为。不论是环件高低温循环试验，还是块体高低温循环试验，都是要经过多次高低温循环。因此，以升温→保温→水冷，为一次高低温循环，即：样品热处理炉中在t1时间内升温至工作温度，随后进行保温，保温时间为t2，保温完毕后进行冷却，冷却时间为t3。
表2本发明高低温循环节点序列
| 高低温循环节点序列 | 节点1 | 节点2 | 节点3 | 节点4 | 节点5 | 节点6 | … | 节点n |
| 序列1 | 20次 | 40次 | 60次 | 80次 | 100次 | 120次 | … | 20n次 |
| 序列2 | 25次 | 50次 | 75次 | 100次 | 125次 | 150次 | … | 25n次 |
| 序列3 | 50次 | 100次 | 150次 | 200次 | 250次 | 300次 | … | 50n次 |
| 序列4 | 100次 | 200次 | 300次 | 400次 | 500次 | 600次 | … | 100n次 |
| 序列5 | 150次 | 300次 | 450次 | 600次 | 750次 | 900次 | … | 150n次 |
| 序列6 | 200次 | 400次 | 600次 | 800次 | 1000次 | 1200次 | … | 200n次 |
对于实际尺寸较大的阀座密封面试验件而言，环件高低温循环试验以等比例缩小的模拟环件进行(不破坏约束)，块体高低温循环试验则用丙酮溶液清洗样品，用线切割机将试验件切成尺寸较小、包含密封面基体和堆焊层的块体样品(破坏约束)，块体样品取样个数取决于终点循环次数，例如：若为表2中序列1，终点节点取到节点6，则块体样个数为6个(节点1-6)，若为表2中序列5，终点节点取到节点5，则块体样个数为5个(节点1-5)，简而言之，设置有几个节点，则对应于取多少个块体样品；对于实际尺寸较小的阀座密封面试验件(可直接放进热处理炉中)而言，环件高低温循环试验直接以试验件进行(不破坏约束)，同样，块体高低温循环试验则用线切割机将试验件切成尺寸较小、包含密封面基体和堆焊层的块体样品(破坏约束)。
综上所述，一次高低温循环包括升温时间t1、保温时间t2和冷却时间t3，这样的一个循环称为一次高低温循环试验，三个时间之和为单次高低温循环时间。试验总时间为循环次数×单次高低温循环时间的总和。设置多个节点的高低温循环次数，将环状样品进行终点节点次数的高低温循环试验，将块体样品进行各个节点次数的高低温循环试验，观察环状样品和块体样品是否产生宏观裂纹，依次采用120#、240#、400#、600#、800#、1000#、1200#、1500#、2000#、3000#、 4000#砂纸对样品进行粗磨到精磨处理，再先后用直径2.5μm、直径1.5μm的金刚石抛光机进行机械抛光，抛光完成后进行腐蚀，腐蚀液为王水(HCl：HNO3＝3： 1)，样品抛光面的腐蚀时间为15～25s，腐蚀完毕后迅速依次用酒精和水清洗表面(此处必须严格按照先用酒精清洗，再用清水清洗这一顺序，如果顺序颠倒，会形成很多腐蚀斑，影响观察和判断，最终导致评价结果的不准确)，再用烘手器或吹风机吹干；然后对样品进行表征分析以评价阀座密封面堆焊层的耐高温、耐疲劳性能。
(3)在阀座工作温度下，进行高温冲击试验，获得阀座密封面堆焊层的耐冲击、耐高温性能。所述高温冲击试验包括如下步骤：将样品放入热/力模拟机中，向热/力模拟机中通入保护气体后，升温至样品的工作温度，对样品进行多次冲击实验，观察每次冲击试验后样品的堆焊层是否产生宏观裂纹，并计算样品尺寸变化量；多次冲击试验后，采用线切割设备切割出大小合适的样品，对样品表面进行打磨后抛光，用腐蚀液对其进行腐蚀，腐蚀完毕后清洗样品表面风干，观察样品堆焊层表面和内部是否产生裂纹，采用扫描电子显微镜观察样品表面的微观组织形貌。
汽轮机阀座处的密封面在服役时一直在蒸汽气氛中，直接受到高温工作蒸汽的冲击、传热作用。对于某一规格的汽轮机而言，其阀座密封面受到的高温蒸汽冲击压力是固定的，由压强公式P＝F/S可以知道，冲击的力一定时，冲击面积越小，密封面堆焊层受到的压强越大；而对于某一阀座密封面而言，其阀座密封面受到的高温蒸汽作用的冲击面积是固定的，蒸汽压力越大，密封面堆焊层受到的压强越大。为评价分析阀座密封面堆焊层的耐高温冲击性能，将整个环件密封面堆焊层置于高温蒸汽环境中进行冲击是很难实现且不必要的，因此设计如下高温冲击试验。采用线切割机从阀座密封面试验件上切割出圆柱形样品，圆柱样品的高度与底面直径之比(长径比)设置范围为1：1.2～1：2。
表3高温冲击圆柱样品长径比及样品尺寸推荐
| 长径比 | 样品尺寸 |
| 1:1.2 | Φ5×6(2)mm、Φ10×12(4)mm、Φ15×18(6)mm |
| 1:1.4 | Φ5×7(2)mm、Φ10×15(5)mm、Φ15×21(7)mm |
| 1:1.5 | Φ4×6(2)mm、Φ8×12(4)mm、Φ10×15(5)mm、Φ14×21(7)mm、Φ16×24(8)mm |
| 1:1.6 | Φ5×8(3)mm、Φ10×16(5)mm、Φ15×24(8)mm |
| 1:1.8 | Φ5×9(3)mm、Φ10×18(6)mm |
| 1:2.0 | Φ5×10(3)mm、Φ10×20(7)mm |
在线切割前和线切割后将样品用丙酮溶液清洗，在用线切割设备进行切割时，要保证圆柱两个端面的材料分别为堆焊材料和基体材料，此外，确保圆柱样品轴向方向的堆焊层厚度在总长度的三分之一，如表3中括号内的数值，例如：若高温冲击圆柱样品长径比选用表3中1:1.5的长径比，尺寸为Φ8×12mm，则密封面堆焊层厚度为4mm左右，密封面基体层厚度为8mm左右；若选用表3 中1:1.8的长径比，尺寸为Φ10×18mm，则密封面堆焊层厚度为6mm左右，密封面基体层厚度为12mm左右。依次用120#、240#、400#、600#、800#、1000#、1200#、1500#、2000#、3000#、4000#砂纸打磨掉圆柱样品两端面及圆柱面的线切割痕迹，然后用抛光机将高温冲击圆柱样品的两个端面进行机械抛光。
高温冲击试验使用的试验设备为Gleeble系列热/力模拟设备，可以是Gleeble1500、Gleeble 2000、Gleeble 3180、Gleeble 3500或Gleeble 3800等型号。
进行高温冲击试验之前，首先将热电偶焊接在圆柱面上，具体的位置是阀座密封面堆焊层与基体材料的界面位置；然后在Gleeble试验机上设置试验参数，包括夹持力大小(因为样品试横向放置，由左右两个冲击头加持，需要一定的加载力作用在样品两端面以夹持样品，保证实验不发生不掉落)、夹持力加载时间、温度、升温速率、升温时间、保温时间、冲击次数、冲击载荷大小、冲击加载时间、冲击载荷保持时间、冲击卸载时间等；Gleeble试验机通入保护气体(氩气) 气氛之后开始高温冲击试验。
对于冲击载荷的选定是根据压强公式P＝F/S计算得来，例如：若选用表3 中1:1.8的长径比，尺寸为Φ10×18mm，则冲击样品的截面积S为7.85398×10-5 mm2(π取3.14159265)，若工作蒸汽压强P为300MPa，可以计算出F约为 23.56194kN，换算成千克力即为2402.64972kgf(公吨力即为2.40265tf，在 Gleeble试验机中设置为2.4公吨力)。
对于单次冲击参数的确定，如冲击加载时间、冲击载荷保持时间、冲击卸载时间，由于试验设备Gleeble试验机采用液压加载的方式，其载荷加载速率非常快，一般在1-2s内可以实现加载2-3吨的载荷，所以在Gleeble试验机加载能力范围内合理确定冲击加载时间即可，例如：1.5s的冲击加载时间，载荷为2.4公吨力；冲击载荷保持时间我们确定为1s或2s；同样，由于试验设备Gleeble试验机采用液压加载的方式，液压加载虽然快，但是其卸载相对较慢，并且卸载过程存在一定的边际效用(即卸载时间越长，单位时间减少的载荷越少)，相比于加载时间而言，冲击卸载时间相对长一些，例如：8s的冲击卸载时间，卸载2.4公吨力。
表4高温冲击公吨力载荷-三个阶段时间
| 公吨力载荷(tf) | 冲击加载时间(s) | 冲击载荷保持时间(s) | 冲击卸载时间(s) |
| 1.0tf | 0.5～0.8s | 1s～2s | 3～5s |
| 1.5tf | 0.8～1.0s | 1s～2s | 5～6s |
| 2.0tf | 1.0～1.4s | 1s～2s | 6～7s |
| 2.4tf | 1.4～1.5s | 1s～2s | 7～8s |
| 2.5tf | 1.5～1.6s | 1s～2s | 8～10s |
| 3.0tf | 1.6～2.0s | 1s～2s | 10～12s |
表5高温冲击节点序列
| 高温冲击节点序列 | 节点1 | 节点2 | 节点3 | 节点4 | 节点5 | … | 节点n |
| 序列1 | 25次 | 50次 | 75次 | 100次 | 125次 | … | 25n |
| 序列2 | 50次 | 100次 | 150次 | 200次 | 250次 | … | 50n |
| 序列3 | 100次 | 200次 | 300次 | 400次 | 500次 | … | 100n |
| 序列4 | 150次 | 300次 | 450次 | 600次 | 750次 | … | 150n |
| 序列5 | 200次 | 400次 | 600次 | 800次 | 1000次 | … | 200n |
因此，一次高温冲击时间包括冲击加载时间、保持时间和卸载时间，这样的一个加载循环称为一次高温冲击试验，三个时间之和为单次高温冲击时间。试验总时间为夹持力加载时间、升温时间、保温时间、冲击次数×单次高温冲击时间的总和。设置多个节点的高温冲击次数，将圆柱形样品进行节点次数的高温冲击试验，观察高温冲击圆柱形样品是否产生宏观裂纹；将冲击后的样品沿圆柱轴线用线切割机切开，依次用120#、240#、400#、600#、800#、1000#、1200#、1500#、 2000#、3000#、4000#砂纸对样品进行粗磨到精磨处理，再先后用直径2.5μm、直径1.5μm的金刚石抛光剂进行机械抛光，抛光完成后进行腐蚀，腐蚀液为王水 (HCl：HNO3＝3：1)，样品抛光面的腐蚀时间为15～25s，腐蚀完毕后迅速依次用酒精和水清洗表面(此处必须严格按照先用酒精清洗，再用清水清洗这一顺序，如果顺序颠倒，会形成很多腐蚀斑，影响观察和判断，最终导致评价结果的不准确)，再用烘手器或吹风机吹干；然后进行表征分析以评价阀座密封面堆焊层的耐高温、耐冲击性能。
(4)在阀座工作温度下，进行高温摩擦磨损试验，获得阀座密封面堆焊层的耐磨损、耐高温性能。所述高温摩擦磨损试验包括如下步骤：将样品放入摩擦磨损试验机中，分别在室温和工作温度条件下，对样品的堆焊层进行多次摩擦磨损试验，计算样品的失重率和磨损量，并对样品的磨损面进行扫描电镜观察；多次摩擦磨损试验后，采用线切割设备切割出大小合适的样品，对样品的表面进行打磨后抛光，用腐蚀液对其进行腐蚀，腐蚀完毕后清洗样品表面风干，观察样品的堆焊层表面和内部是否产生裂纹。
汽轮机阀座处的密封面在服役时一直在蒸汽气氛中，直接受到高温工作蒸汽的冲击、传热、气蚀作用，同时，在两密封面接触部位会受到服役过程中不可避免的摩擦磨损作用，严重可能导致断裂失效。为评价分析阀座密封面堆焊层的耐高温磨损性能，将两个环件密封面堆焊层置于高温蒸汽环境中进行对磨是很难实现且不必要的，因此设计如下高温磨损试验。采用线切割机从阀座密封面试验件上切割出块体样品，其尺寸为15×15×5mm或20×20×5mm。
在线切割前和线切割后将样品用丙酮溶液清洗，在用线切割设备进行切割时，要保证高温磨损块体样品的一个面的材料为堆焊材料，另一个面可以是堆焊材料也可以阀座密封面基体材料，若为基体材料需保证堆焊层厚度至少为 2.5mm。依次用120#、240#、400#、600#、800#、1000#、1200#、1500#、2000#、 3000#、4000#砂纸打磨掉块体样品堆焊层一面的线切割痕迹，然后用抛光机将高温磨损块体样品的堆焊层面进行机械抛光。
高温磨损试验使用的试验设备为布鲁克通用机械测试仪UMT系列摩擦磨损设备，可以是UMT-2、UMT-3等型号。摩擦磨损试验机有销盘磨损和球盘磨损，但不论采用哪种方式，两个试验样品的对磨实验都难以实现，这也是将两个环件密封面堆焊层置于高温蒸汽环境中进行对磨是很难实现且不必要的原因。一般采用比试验样品硬度大的摩擦盘和摩擦球进行摩擦试验，同样，也要求摩擦盘/球硬度要比样品的硬度大才可以进行摩擦磨损试验。
表6高温摩擦磨损方式-摩擦球材质
| 摩擦方式 | 摩擦球 |
| 往复销盘运动 | 440碳钢球、三氧化二铝球(Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>) |
| 圆周球盘运动 | 440碳钢球、三氧化二铝球(Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>) |
进行高温磨损试验之前，首先确定高温摩擦磨损的试验参数，包括温度、摩擦时间、载荷、摩擦速率、摩擦行程、摩擦距离等。因为汽轮机阀座密封面在服役过程中是处于高温蒸汽环境中，所以我们设计高温磨损试验不需要额外的保护气氛。
对于磨损温度，其数值与汽轮机工作温度相同。
基于此高温摩擦磨损试验，仅改变温度至室温，即可在室温(RT)下进行室温摩擦磨损试验。即摩擦磨损试验包括温度为汽轮机工作温度的高温摩擦磨损试验和温度为室温的室温摩擦磨损试验。
对于摩擦载荷，要求摩擦球在摩擦磨损试验过程中不能发生滚动，与密封面堆焊层的接触为滑动摩擦，一般为10～200N。
表7高温摩擦磨损参数
| 摩擦样品尺寸 | 摩擦行程 | 摩擦速率 | 摩擦距离 | 摩擦时间 |
| 15×15×5mm | 圆周运动直径6～12mm | 100～500r/min | 50～1000m | 10～200min |
| 20×20×5mm | 圆周运动直径8～15mm | 100～500r/min | 50～1000m | 10～200min |
对于摩擦时间、摩擦速率、摩擦行程、摩擦距离等，这四个参数之间存在关联性。若摩擦样品的尺寸是15×15×5mm，则摩擦行程可以选用圆周运动直径 6～12mm；若摩擦样品的尺寸是20×20×5mm，则摩擦行程可以选用圆周运动直径 8～15mm；摩擦速率在保证摩擦球不发生滚动的前提下，可以选用100～500r/min；当摩擦行程和摩擦速率一定时，在单位时间内，摩擦球的摩擦距离是可以通过计算得出的，例如：摩擦样品尺寸选用15×15×5mm，摩擦行程选用圆周运动直径 8mm，摩擦速率选用200r/min，则单位时间(一分钟)内，摩擦球的摩擦距离＝π×圆周运动直径×摩擦速率，即为5m。摩擦距离设定节点距离，选用50～1000m，此时摩擦时间可以根据摩擦速率、摩擦行程参数，结合摩擦距离节点及其节点数，确定摩擦时间，例如，上例中单位时间(一分钟)内摩擦球的摩擦距离为5m，摩擦距离-摩擦时间可选用节点如下：50m-10min、100m-20min、150m-30min、 200m-40min、250m-50min、300m-60min、350m-70min、400m-80min、450m-90min、 500m-100min、550m-110min、600m-120min、……、1000m-200min。
对摩擦磨损样品要在进行磨损试验前后进行称重测量以计算摩擦磨损的失重率ω：
其中：M是磨损试验前的样品质量，单位为克(g)；m是磨损试验后的样品质量，单位为克(g)。
此外，采用激光共聚焦显微镜对磨损样品进行拍摄，计算其磨痕截面面积A，以计算磨损量W：
其中：C是摩擦周长＝π×摩擦行程，单位为mm；A是磨痕截面面积，由激光共聚焦显微镜拍摄计算得到，单位为mm2；F是摩擦载荷，单位为牛顿(N)； L是摩擦距离，单位为m。
最后得到的摩擦磨损样品个数为高温节点数与室温节点数之和。对试验后的磨损面进行场发射扫描电镜观察表征分析。然后用线切割机将磨损样品沿对称轴切成两个7.5×15×5mm或10×20×5mm的块体样品，依次用120#、240#、400#、 600#、800#、1000#、1200#、1500#、2000#、3000#、4000#砂纸对样品的纵切面进行粗磨到精磨处理，再先后用直径2.5μm、直径1.5μm的金刚石抛光剂进行机械抛光，抛光完成后进行腐蚀，腐蚀液为王水(HCl：HNO3＝3：1)，样品抛光面的腐蚀时间为15～25s，腐蚀完毕后迅速依次用酒精和水清洗表面(此处必须严格按照先用酒精清洗，再用清水清洗这一顺序，如果顺序颠倒，会形成很多腐蚀斑，影响观察和判断，最终导致评价结果的不准确)，再用烘手器或吹风机吹干；然后再进行纵切面的表征分析以评价阀座密封面堆焊层的耐高温、耐冲击性能。
(5)在阀座工作温度下，进行高温固体颗粒冲蚀试验，获得阀座密封面堆焊层的耐冲蚀、耐高温性能。所述高温固体颗粒冲蚀试验包括如下步骤：将样品放气液固冲蚀腐蚀实验机中，升温至其工作温度，由高温气体搅拌加热不同的固体粒子，充分搅拌并受热，调节至冲蚀气压按照预定的冲蚀时间对样品的堆焊层进行固体颗粒冲蚀试验，观察样品的堆焊层表面和内部是否产生裂纹。
汽轮机阀座处的密封面在服役时一直在蒸汽气氛中，在阀门启闭的过程中会发生摩擦磨损，密封面堆焊层可能发生磨粒磨损现象，而磨粒一旦脱落，则会随着蒸汽气氛发生流动，这时密封面堆焊层会受到固体磨粒的二次冲蚀作用和蒸汽气氛的气蚀作用。为评价分析阀座密封面堆焊层的耐高温、耐冲蚀性能，设计如下高温磨损试验。
高温固体颗粒冲蚀试验使用的试验设备为气液固冲蚀腐蚀实验机，具体为射流式气液固冲蚀腐蚀实验台。射流式气液固冲蚀腐蚀实验平台将气液固三相通过喷嘴喷出，直射样品表面，产生快速冲蚀/腐蚀损伤。该实验平台包含液固循环系统，气固循环系统和颗粒添加系统，可以进行液固、气固实验中的颗粒循环适用，亦可采用管内颗粒精确添加，提高颗粒浓度精准性。
进行高温固体颗粒冲蚀试验之前，首先确定高温固体颗粒冲蚀的试验参数，包括温度、气体介质、气体流速、冲蚀气压、固体颗粒材质、固体颗粒直径、冲蚀时间、冲蚀角度(也称攻角)等。若阀座密封面实际尺寸较小，则以实际尺寸进行高温固体颗粒冲蚀试验；若阀座密封面实际尺寸较大，则等比例缩小，以小尺寸的模拟环件进行高温固体颗粒冲蚀试验。对于固体颗粒冲蚀试验温度，其数值与汽轮机工作温度相同。
表8高温固体颗粒冲蚀试验参数
选定好高温固体颗粒冲蚀试验参数之后，首先将试验件升温至试验温度，然后由高温气体搅拌加热固体粒子，充分搅拌并受热，调节至试验冲蚀气压按预定的冲蚀时间进行固体冲蚀试验。
最后得到的高温固体颗粒冲蚀样品为选定的冲蚀时间点数。采用线切割设备从冲蚀试验机上取出冲蚀样品，对试验后的冲蚀面进行场发射扫描电镜观察表征分析。然后再进行冲蚀面的纵切面的表征分析以评价阀座密封面堆焊层的耐擦伤、耐高温、耐冲蚀性能。
二、实施例
以Φ20.05×2.55cm惰性气体钨极氩弧堆焊司太立6#(Stellite 6)合金的汽轮机阀座密封面为例，以本发明设计的多维度评价和分析方法，对阀座密封面堆焊层的材料综合性能(耐高温、耐疲劳、耐冲击、耐磨损、耐擦伤、耐冲蚀性能等)进行综合评价。
1、高低温循环试验建立
环件高低温循环试验以原始环状密封面进行，块体高低温循环试验的块体取样厚度为12mm，循环节点序列选用上表2序列3，在MF-1200C-MR(1200℃中型箱式炉)设备中进行高低温循环试验。
表9单次高低温循环参数
| 温度 | 升温时间 | 保温时间 | 冷却时间 | 冷却方式/介质 |
| 650℃ | 10分钟 | 15分钟 | 5分钟 | 水冷/水 |
表10高低温循环节点
| 高低温循环试样 | 温度 | 节点 |
| 块体试样 | 650℃ | 50、100、150、200、250、300次 |
| 环状试样 | 650℃ | 300次 |
结果：环状样品和块体样品堆焊层部位无微观裂纹萌生。
2、高温冲击试验建立
高温冲击试验试样尺寸根据表3确定，选用长径比为1:1.5，试样尺寸为Φ8×12(4)mm，括号中4的含义为圆柱试样中堆焊层厚度为4mm，密封面基体材料厚度为12-4＝8mm。冲击节点序列选用上表5序列3，在Gleeble 3800设备上进行高温冲击试验。
表11单次高温冲击参数
| 公吨力载荷(tf) | 冲击加载时间(s) | 冲击载荷保持时间(s) | 冲击卸载时间(s) |
| 2.5tf | 1.5s | 1s | 8s |
表12高温冲击节点
| 高温冲击试样 | 温度 | 节点 |
| Φ8×12(4)mm | 650℃ | 100、200、300、400、500次 |
表13高温冲击试验结果
| 高温冲击次数 | 100次 | 200次 | 300次 | 400次 | 500次 |
| 原始长度mm | 11.98 | 11.88 | 11.85 | 11.82 | 11.83 |
| 原始直径mm | 7.98 | 8.03 | 8.02 | 8.02 | 8.03 |
| 冲击后长度mm | 9.46 | 9.43 | 9.35 | 9.29 | 9.21 |
| 冲击后直径mm | 10.09 | 10.29 | 10.31 | 10.32 | 10.39 |
| 密封面基材原始长度mm | 9.04 | 8.32 | 9.23 | 9.45 | 9.18 |
| 堆焊层长度mm | 2.94 | 3.56 | 2.62 | 2.37 | 2.65 |
| 长度变化量 | 2.52 | 2.45 | 2.50 | 2.53 | 2.62 |
| 直径变化量 | 2.11 | 2.26 | 2.29 | 2.30 | 2.36 |
| 长度变化百分比 | 21.0351％ | 20.6229％ | 21.0970％ | 21.4044％ | 22.1471％ |
| 直径变化百分比 | 26.4411％ | 28.1445％ | 28.5536％ | 28.6783％ | 29.3898％ |
结果：高温冲击圆柱形样品堆焊层部位无裂纹萌生，长度变化百分比(压缩量)在21.00％～22.15％范围内。
3、高温摩擦磨损试验建立
高温摩擦磨损试验试样尺寸选定为20×20×5mm，高温摩擦磨损试验参数在表6和表7中选定，确定为下表F，在Bruker UMT-2摩擦磨损试验机上进行高温摩擦磨损试验。
表14高温摩擦磨损试验参数
| 类别 | 参数选定 |
| 摩擦磨损方式 | 圆周球盘运动 |
| 摩擦球 | 三氧化二铝球(Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>) |
| 摩擦试样尺寸(mm) | 20×20×5mm |
| 温度(℃) | 室温(RT)、650℃ |
| 摩擦行程(mm) | 圆周运动直径10mm |
| 摩擦速率(r/min) | 150r/min |
| 摩擦距离(m) | 100m、200m、300m、400m |
| 摩擦时间(min) | 21min、42min、64min、85min |
表15高温摩擦磨损试验结果
结果：高温摩擦磨损块体样品与室温摩擦磨损块体样品堆焊层部位均无裂纹萌生，室温摩擦磨损85min-400m的磨损量为5.6263×10-5mm3/N·m，高温摩擦磨损试样(650℃-21min-100m、650℃-42min-200m、650℃-64min-300m、 650℃-85min-400m)的磨损量在1.24～1.45×10-5mm3/N·m，远小于室温摩擦磨损的磨损量，该密封面堆焊层的耐高温磨损性能优异。
4、高温固体颗粒冲蚀试验建立
为方便下一步采用扫描电镜观察冲蚀面，高温固体颗粒冲蚀试验试样尺寸选定为20×20×4mm，高温固体颗粒冲蚀试验参数在表8中选定，确定为下表16，在射流式气液固冲蚀腐蚀实验台上进行高温固体颗粒冲蚀试验。
表16高温固体颗粒冲蚀试验结果
| 类别 | 参数 |
| 温度℃ | 650℃ |
| 气体介质 | 水蒸气 |
| 气体流速m/s | 12m/s |
| 冲蚀气压MPa | 0.6MPa |
| 固体颗粒材质 | 四氧化三铁粉末(Fe<sub>3</sub>O<sub>4</sub>) |
| 固体颗粒直径mm | 1.0mm |
| 冲蚀时间min | 60min、120min、180min |
| 冲蚀角度 | 45° |
结果：高温固体颗粒冲蚀样品冲蚀面的堆焊层部位无裂纹萌生，仅产生轻微、深度较浅犁沟。采用线切割设备沿纵切面剖开样品，磨样、抛光、腐蚀之后在场发射扫描电镜下观察无微观裂纹产生。
综上所述，设计高低温循环试验、高温冲击试验、高温摩擦磨损试验、高温固体颗粒冲蚀试验，从四个维度对汽轮机阀座密封面堆焊层材料的综合性能进行评价，结果显示本实施例的Φ20.05×2.55cm惰性气体钨极氩弧堆焊司太立6# (Stellite 6)合金的汽轮机阀座密封面堆焊层的耐高温、耐冲击、耐疲劳、耐磨性性能达标，满足汽轮机阀座密封面的使用要求。由此可见，本发明能够达到对任意的汽轮机阀座密封面堆焊层，都能从多个维度(耐高温、耐磨损、耐冲击、耐冲蚀、耐擦伤、耐疲劳等)综合评价其性能，得出该密封面堆焊层性能是否达标、是否满足实际生产需要。
本发明通过设置高低温循环试验，可以有效的评价阀座密封面堆焊层的耐疲劳、耐高温性能；通过设置高温冲击试验，可以有效的评价阀座密封面堆焊层的耐冲击、耐高温性能；通过设置高温摩擦磨损试验，可以有效的评价阀座密封面堆焊层的耐磨损、耐高温性能；通过设置高温固体颗粒冲蚀试验，可以有效的评价阀座密封面堆焊层的耐擦伤、耐冲蚀、耐高温性能。本发明采用设置的多维度评价试验，可以确保阀座密封面堆焊层的综合性能，确保其使用寿命达标、安全使用；上述益处综合，为汽轮机阀座密封面堆焊层的综合性能提高全方面的评价和分析方法，为汽轮机阀座密封面堆焊层在高温蒸汽中长时间服役的特定工况冲击、磨损、冲蚀下，接触对装的两个阀座密封面的完整性使用及分析预测提供了坚实基础，确保阀座密封面安全可靠使用。
最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，那些对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (7)
1.一种阀座密封面堆焊层的综合性能评价方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）根据阀座的用途，确定其工作温度；
（2）在阀座工作温度下，进行高低温循环试验，获得阀座密封面堆焊层的耐疲劳、耐高温性能；
（3）在阀座工作温度下，进行高温冲击试验，获得阀座密封面堆焊层的耐冲击、耐高温性能；
（4）在阀座工作温度下，进行高温摩擦磨损试验，获得阀座密封面堆焊层的耐磨损、耐高温性能；
（5）在阀座工作温度下，进行高温固体颗粒冲蚀试验，获得阀座密封面堆焊层的耐擦伤、耐冲蚀、耐高温性能。
2.根据权利要求1所述阀座密封面堆焊层的综合性能评价方法，其特征在于，所述高低温循环试验包括如下步骤：
将样品表面清洗干净后，放入热处理炉中重复进行多次高低温循环，观察每次高低温循环后样品的堆焊层是否产生宏观裂纹；多次高低温循环后，采用线切割设备切割出大小合适的样品，对样品表面进行打磨后抛光，用腐蚀液对其进行腐蚀，腐蚀完毕后清洗样品表面风干，观察样品堆焊层表面和内部是否产生裂纹，采用扫描电子显微镜观察样品表面的微观组织形貌。
3.根据权利要求2所述阀座密封面堆焊层的综合性能评价方法，其特征在于，一次高低温循环包括如下过程：
样品热处理炉中在t1时间内升温至工作温度，随后进行保温，保温时间为t2，保温完毕后进行冷却，冷却时间为t3。
4.根据权利要求1所述阀座密封面堆焊层的综合性能评价方法，其特征在于，所述高温冲击试验包括如下步骤：
将样品放入热/力模拟机中，向热/力模拟机中通入保护气体后，升温至样品的工作温度，对样品进行多次冲击实验，观察冲击试验后样品的堆焊层是否产生宏观裂纹，并计算样品尺寸变化量；多次冲击试验后，采用线切割设备切割出大小合适的样品，对样品表面进行打磨后抛光，用腐蚀液对其进行腐蚀，腐蚀完毕后清洗样品表面风干，观察样品堆焊层表面和内部是否产生裂纹，采用扫描电子显微镜观察样品表面的微观组织形貌。
5.根据权利要求1所述阀座密封面堆焊层的综合性能评价方法，其特征在于，所述高温摩擦磨损试验包括如下步骤：
将样品放入摩擦磨损试验机中，分别在室温和工作温度条件下，对样品的堆焊层进行多次摩擦磨损试验，计算样品的失重率和磨损量，并对样品的磨损面进行扫描电镜观察；多次摩擦磨损试验后，采用线切割设备切割出大小合适的样品，对样品的表面进行打磨后抛光，用腐蚀液对其进行腐蚀，腐蚀完毕后清洗样品表面风干，观察样品的堆焊层表面和内部是否产生裂纹，采用扫描电子显微镜观察样品表面的微观组织形貌。
6.根据权利要求1所述阀座密封面堆焊层的综合性能评价方法，其特征在于，所述高温固体颗粒冲蚀试验包括如下步骤：
将样品放置在气液固冲蚀腐蚀实验机中，升温至其工作温度，由高温气体搅拌加热不同的固体粒子，充分搅拌并受热，调节至冲蚀气压按照预定的冲蚀时间对样品的堆焊层进行固体颗粒冲蚀试验，观察样品的堆焊层表面和内部是否产生裂纹，采用扫描电子显微镜观察样品表面的微观组织形貌。
7.根据权利要求1所述阀座密封面堆焊层的综合性能评价方法，其特征在于，当所述阀座用于汽轮机时，其工作时蒸汽温度如下：
（1）低压非再热式汽轮机：340℃；
（2）次中压非再热式汽轮机：390℃；
（3）中压非再热式汽轮机：435℃、450℃、470℃；
（4）次高压非再热式汽轮机：435℃、450℃、460℃、470℃；
（5）高压非再热式汽轮机：535℃；
（6）超高压再热式汽轮机：535℃、537℃、538℃、540℃；
（7）亚临界再热式压力汽轮机：535℃、537℃、538℃、540℃；
（8）超临界再热式压力汽轮机：538℃、566℃；
（9）超超临界压力汽轮机：566℃、580℃、593℃、600℃。
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| CN114152430B (zh) | 2024-05-03 |
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