本文内容来自：中石化广州工程有限公司正高级工程师裴炳安，于“2024全国石油化工阀门应用技术交流大会”上发表的报告。
一、石油化工控制球阀现状
1. 进口控制球阀
进口球阀主要应用在石油化工耐磨、高频开关、临氢高压、超低温 等工况，最初都是引进工艺包时由专利商推荐使用的。进口球阀一般都是国外阀门厂与专利商合作按工艺包要求研制的，经过大量工程项目使用和持续改进，产品性能稳定、质量可靠，市场占 有率很高。常用的进口球阀品牌有：MOGAS 、HARTMANN 、NELES 、ARGUS、AST 、VTI 、KOSO 、KTM 、PERRIN 、OMB（低温）、POYAM（低温） 等。
2. 国产控制球阀
国产球阀主要应用在石油化工低压和普通工况，供应商众多，企业研发能力和生产管理水平参差不齐，阀门整体质量水平和产品性能与进口品牌还有一定差距。近几年来，国内有研发实力和生产管理水平较高的供应商针对耐磨、高频开关、临氢高压、超低温等工况球阀的使用要求，以及进口球阀在工程应用中出现的问题，对球阀的结构设计、填料和密封材料选择、表面硬化处理等，进行深度剖析和国产化替代研究，攻克了球阀在苛刻工况使用中遇到的各种难题，用国产品牌替代了进口，取得了良好使用效果。
二、国内研发能力及生产装备水平
1. 国内研发能力
国内供应商都有设计研发部门，采用进口或国产三维软件开展阀门建模、仿真、有限元分析和工程图设计等工作，由于三维设计软件年费较高，很多企业都是购买了几个常用模块，软件应用水平参差不齐。国内供应商都建立了生产管理系统（APS）和制造管理系统（MES），但在生产过程的质量管控、产品质量可追溯性、阀门试压和产品性能测试等方面，整体水平与国外先进企业存在较大差距。
国内企业的生产管理水平、表面硬化处理工艺、填料及密封材料研究、新产品研发能力等，与国外先进水平相比还有较大差距，国产品牌的质量稳定性和产品一致性，还有待进一步提高。
2. 生产装备水平
2.1 机加工设备
国内供应商大部分都装备有四轴、龙门、卧式和立式加工中心，配 备有基本热处理、表面净化处理、深冷处理和各种堆焊或喷涂设备，部 分企业装备了智能刀具柜，可通过一次夹装完成多道加工工序，保证了 产品的加工精度和质量稳定。个别企业还装备有小口径球阀自动装配生 产线，生产效率大幅度提高。就机加工设备而言，国内企业已接近或达 到了国外先进水平。
2.2 检验测试能力
国内供应商大部分都配置有三坐标测量仪、氦质谱检漏仪、全成分 金属分析光谱仪、超声波探伤仪、磁粉探伤仪、液压阀门测试台和高温 测试设备等，个别企业还装备了高温高压（蒸汽或热油介质）测试设备， 能够满足控制球阀的检验测试需求。
三、替代进口能力及工业应用情况
1. 替代进口能力
为了提升国产控制球阀的产品质量与技术水平，保障产业链和供应链安全，2023年2月20日起至2023年9月15日，中石化控制球阀质量与技术提升项目攻关组对国内21家球阀供应商、4家执行机构供应商、4家电磁阀供应商、2家外资阀门企业和6家大项石化企业进行了现场调研和实地考察，从调研结果看，国产球阀在石油化工很多苛刻应用工况都能替代进口产品，应用场所主要有：S-ZORB程控球阀、PX程控球阀、PDS程控球阀、POX水煤浆锁渣阀、氧气切断阀等。目前国产在役高压球阀的规格为ANSI4500LB、DN350（操作温度为545℃) , 大口径球阀的规格为DN1200、ANSI600LB。
国产球阀替代进口的配置方案主要是：阀体采用国产品牌，执行机构、 电磁阀、阀位开关等阀门配套附件采用进口品牌。
临氢高压、耐磨、高频开关、超低温等工况使用的密封圈、垫片、碟 簧、石墨填料等，由于国产品牌的性能与进口品牌还有一定差距，供应 商在国产化替代时大多还是选用进口原材料国内加工成型的产品。
2.工业应用情况
从应用业绩看，国产球阀替代进口的用户涵盖了中石化、中石油、神 华宁煤、浙江石化等大型央企或民营企业。中石化企业替代进口的都是采 购周期短的改造项目或进口阀门故障时的临时替代，新建项目耐磨、高频 开关、临氢高压、超低温等工况采用国产球阀的案例基本没有。
2.1 镇海炼化
① 加氢装置：高压串低压改造，3台2500LB固定球阀；
② 沸腾床加氢装置：1台2500LB带衬里浮动球阀；
③ S-ZORB装置：5台S-ZORB程控球阀，投用3年～4年，使用情况良好；
④ PE装置：2台PDS程控球阀，投用2年～3年，使用情况良好；
⑤ PX装置：1台PX程控球阀，投用1年，使用情况良好；
⑥ POX装置：30台水煤浆锁渣阀，使用情况良好；
⑦ 高频执行机构：5台国产PX程控阀和PDS程控阀采用国产高频气动执行机构，投用2年～3年，使用情况良好。
2.2 浙江石化
① S-ZORB装置：氢气+催化剂管线14台程控球阀， 使用情况良好；
② 煤气化装置 Ⅰ ：74台氧气切断球阀、114台氮气切断阀和96台水煤浆锁渣阀，使用情况良好；
③ 煤气化装置Ⅱ：98台氮气切断阀和72台水煤浆锁渣阀，使用情况良好。
2.3 中科炼化
POX装置：33台粉煤主管道锁斗阀由进口改用国产盘阀，使用情况良好。
2.4 东华能源（宁波）
PP装置：109台PDS程控球阀，投用2年～4年，使用情况良好。
2.5 青岛LNG低温球阀
LNG装车撬：3〞ANSI 150LB低温球阀（-156℃) , 投用4年。
LNG高压泵出口：8〞ANSI 900LB低温球阀（-156℃) , 投用2年。
四、常见质量问题及原因分析
耐磨球阀主要应用在粉料介质或介质中含有催化剂固体颗粒的场所，阀门开关过程中，粉料或催化剂颗粒在阀腔、阀座与阀体缝隙、弹簧腔、阀轴与轴承缝隙等部位聚集或结块，导致阀球和阀座密封面拉伤、弹簧失效、阀座弹性元件失效、阀轴抱死、阀门扭矩增大等，最终造成阀门动作卡涩、内漏、外漏、阀杆断裂、开关时间长等质量问题。
1.动作卡涩、内漏
原因分析：
① 阀门结构设计不合理。
② 阀门加工精度或装配精度低。
③ 球体和阀座表面硬化质量差。
④ 弹簧或填料密封件质量差。
2.外漏、阀杆断裂
原因分析：
① 阀杆填料或密封结构设计不合理。
② 阀杆强度或阀杆直径设计不合理。
③ 执行机构选择不合理，输出力矩远大于阀门力矩。
3.开关时间长
原因分析：
① 阀门结构设计不合理。
② 阀门气路设计和执行机构选不合理。
五、耐磨球阀质量控制要点
影响球阀产品性能和质量的主要因素有以下四个：一是阀门结构设 计；二是阀门加工精度和装配精度；三是球体和阀座的表面硬化水平；四是弹簧和填料密封件性能。
1.阀门结构设计
① 阀座密封面采用刮刀式结构；
② 阀座弹簧采用内腔封闭式防尘结构；
③ 阀轴和轴承（套）内表面采用耐磨结构；
④ 阀杆采用防吹出结构；
⑤ 阀杆填料采用多重复合密封低逸散结构。
2.阀门加工精度和装配精度
2.1 球体驱动槽对称度和垂直度
① 浮动球：驱动槽的对称度和垂直度差会造成回转偏向，导致球体 和阀座硬化层拉伤和磨损；
② 固定球：上下两端轴头或内孔的同轴度和垂直度差会导致上下轴 承内部挤压，阀门扭矩增大。
2.2 阀球和阀座密封面圆度
阀球和阀座密封面的圆度应根据阀门口径和开关频率满足不同的真
球度要求。阀球圆度差会导致阀门扭矩增大，阀座密封面圆度差会影响
阀球和阀座的密封性能。
2.3 表面光洁度
① 球体表面光洁度应≤Ra0.2；
② 阀座表面光洁度应≤Ra0.2；
③ 阀杆表面光洁度应≤Ra0.4。
3.4 阀座同心度
固定式球阀具有双向密封功能时，两端阀座的同心度应≤0.05mm。
3.球体和阀座表面硬化水平
球体和阀座表面硬化水平是影响阀门产品性能和质量的关键因素之 一，球阀的表面硬化处理应根据各部件的特点采用不同的硬化工艺。常 用的表面硬化工艺有：超音速喷涂、氧乙炔火焰喷涂、等离子喷涂、激 光熔覆和气相沉淀。
3.1 超音速喷涂：冷喷工艺。喷涂燃料为煤油（HVOF）或丙烷（HVAF）， 研磨后涂层厚度0.2 mm-0.25mm，HVOF的孔隙率比HVAF大。
HVOF喷涂：孔隙率：WC粉≤1%，CrC粉≤2%；涂层结合力70MPa- 90MPa；硬度：WC粉HV≥1200，CrC粉HV≥800，ST粉HV≤750。
HVAF喷涂：孔隙率：WC粉≤0.1%，CrC粉≤0.5%；涂层结合力：WC粉 ≥95MPa，CrC粉≥70MPa；硬度：WC粉HV≥1200（即HRC≥72），CrC 粉HV≥900。
3.2 氧乙炔火焰喷涂：热喷焊工艺。涂层以熔化状态覆盖在未熔的基体 上，基体预热温度300℃-350℃ , 研磨后涂层厚度0.5mm-0.7mm，结合力 ≥200MPa，孔隙率≤0.5%，硬度HRC50-HRC65（HV500-HV830）。热喷焊 工艺基体变形量较大，喷涂后表面有微量氧化物，为了获得更好性能， 热喷后基体必须进行重熔，使喷焊层与基体再次治金熔合，提高喷焊层 的结合力和抗氧化能力。
3.3 等离子喷涂：等离子喷涂的焰流温度高达几万度，可喷涂陶瓷等高 温下才能熔融的金属粉末，主要应用于冶金行业。等离子喷涂时，熔融 粒子的飞行速度可达180m/s-480m/s甚至更高，喷涂时工件温度可控制 在200℃左右，基材变形小，涂层厚度可达0.25mm-3mm，硬度可达
HV700-HV1000。等离子喷涂的缺点是加工效率低，能耗较大。
3.4 激光熔覆：激光熔覆是通过同步或预置材料的方式，将外部材料 添 加至基体经激光辐照后形成的熔池中，并使二者共同快速凝固形成包覆 层的一种新型表面硬化工艺。优点是熔覆层与基体呈冶金结合，涂层硬 度较高，孔隙率≤0.1，厚度可达0.5mm；缺点是工件需要预热（300度左 右），加工效率较低，成本较高。一般用于蝶阀阀瓣密封面、环形密封 面等硬化场合。
3.5 气相沉淀：基体精加工后的表面处理方法，气相沉淀有化学气相沉 淀（CVD）和物理气相沉淀（PVD）两种工艺，气相沉淀的硬化层厚度
2um-5um，硬度HV≥2000，常用于切削刀具和发动机零部件的表面处理。气相沉淀对表面硬化效果和涂层光洁度要求很高，必须在基件精细研磨 后才能进行，气相沉淀的质量好坏取决于喷涂时的涂层硬化效果，孔隙率越低效果越好。
六、技术突破和质量提升建议
1. 细化招标文件技术要求
目前很多设计请购文件对影响阀门产品质量和性能的关键技术参数
和指标都没有提出具体或明确要求，如果供应商对阀门的应用工况和工艺要求不了解，或者供应商缺乏该工况阀门的使用经验和技术积累，提供的阀门在结构设计、关键部位加工精度和装配精度、球体和阀座表面硬化指标等方面，有可能不满足设计意图和最终用户的使用要求，导致阀门投入使用后很快就出现质量问题。
2. 关键制造工序和检验测试过程监控
对阀门关键制造工序和检验测试过程进行现场监造或视频监控，引导供应商不断提高工厂的数智化管理水平，使阀门的生产制造过程和全生命周期产品质量都具备可追溯性。
3. 外协件质量保证措施
国内供应商的阀体、阀座和阀球毛坯及弹簧、填料密封等基本上 都是外购的，球体和阀座表面硬化处理大部分也是外委加工，如果供 应商选择的外购件质量较差，外委加工单位水平较低，制造出来的球 阀产品质量就很难保证。因此，为了提高球阀产品质量，必须加强对 供应商外购件和外委加工单位的选择管理和质量管控，保证供应商的 外购件和外委加工单位都是国内一流品牌或企业，这样才能提升国产 球阀的产品质量。
4. 培育主力供应商队伍。
进口球阀大部分都是供应商与专利商合作，根据工艺包要求研制的 阀门，由专利商随工艺包推荐给用户。国内供应商由于不清楚工艺包 要求和专利商意图，只能通过维修进口阀门积累苛刻工况控制球阀设 计和制造经验，因此，国产化替代阀门招投标时，应把供应商的设计 制造能力和应用业绩作为重要考核指标，设置公平合理的招投标条件， 避免低价恶性竞争，培育国产控制球阀主力供应商队伍。
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