煤化工硬密封球閥的設(shè)計(jì)應(yīng)用研究

馮一桀

【摘 要】近年來(lái)我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展以及工業(yè)生產(chǎn)要求逐漸提高，油料能源的緊缺問(wèn)題也日益嚴(yán)峻，因此煤制烯烴技術(shù)開(kāi)始成為一種有效的能源消耗平衡技術(shù)。而在煤化工生產(chǎn)作業(yè)中，閥門(mén)是非常關(guān)鍵的控制設(shè)備，閥門(mén)的類(lèi)型多種多樣，本文針對(duì)煤化工硬密封球閥的設(shè)計(jì)與應(yīng)用問(wèn)題進(jìn)行了研究。

【關(guān)鍵詞】煤化工；硬密封球閥；設(shè)計(jì)；應(yīng)用

中圖分類(lèi)號(hào)： TQ53；TH134 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2018）16-0011-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.16.005

0 引言

硬密封球閥目前已經(jīng)非常普遍的應(yīng)用在粉煤氣化設(shè)備中，其應(yīng)用介質(zhì)在過(guò)去的油、氣、水的基礎(chǔ)上增加了煤粉、煤渣、煤漿等高黏結(jié)性、高硬度的顆?！，F(xiàn)階段，無(wú)論是外國(guó)進(jìn)口品牌的硬密封球閥或者是國(guó)內(nèi)自主生產(chǎn)的硬密封球閥，在其應(yīng)用于固體顆粒介質(zhì)的情況下，往往都會(huì)產(chǎn)生內(nèi)漏與卡澀問(wèn)題。因此，對(duì)于煤化工設(shè)備中非常重要的球閥設(shè)備也提出了更高的技術(shù)要求，我們應(yīng)當(dāng)積極借鑒吸取國(guó)內(nèi)外先進(jìn)技術(shù)，對(duì)硬密封球閥進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì)選型，不斷對(duì)其優(yōu)化，合理應(yīng)用，控制球閥設(shè)計(jì)應(yīng)用成本，嚴(yán)控其質(zhì)量，促進(jìn)煤化工生產(chǎn)效率的不斷提升。

1 煤化工硬密封球閥概述

在煤化工生產(chǎn)作業(yè)中，硬密封球閥屬于其生產(chǎn)工藝的重要一部分，也是其生產(chǎn)過(guò)程中關(guān)鍵的控制設(shè)備。閥門(mén)包含了各種不同類(lèi)型，通常在煤化工裝置中較為普遍的有閘閥、截止閥、球閥以及蝶閥等，上述閥門(mén)都需要承受煤化工生產(chǎn)工藝中的500℃高溫與30MPa高壓，同時(shí)閥門(mén)應(yīng)當(dāng)具備較強(qiáng)的抗磨損性，它們需要承擔(dān)走樣、燃燒、腐蝕、機(jī)械磨損等不同的工況條件，因此其核心裝置都應(yīng)屬于耐高溫高壓的密封球閥，其主要目的是為了更有效的承受上述工況條件，在整個(gè)煤化工生產(chǎn)過(guò)程中非常重要。

1.1 球閥結(jié)構(gòu)分析

煤化工作業(yè)中針對(duì)球閥的主要要求是其必須具備高性能、密封性以及硬金屬，球閥的結(jié)構(gòu)組成有左閥體、右閥體、球體、右閥座、金屬墊圈以及閥桿等。因?yàn)榍蜷y自身的硬直金屬擁有較強(qiáng)的機(jī)械性能以及研磨性能，其楔形墊材料又具備較強(qiáng)的耐高溫與防腐性，因此對(duì)條件需求較為苛刻的煤化工工藝過(guò)程更加適用[1]。

1.2 球閥工作原理

硬密封球閥一般是二片式金屬密封球閥進(jìn)行改造優(yōu)化而成，改造后左閥體與左閥座設(shè)計(jì)為一體，同時(shí)也優(yōu)化了右閥座的密封結(jié)構(gòu)，因此球閥在管道中的安裝和運(yùn)行狀態(tài)下是不具有方向性的。換句話說(shuō)，即是球閥內(nèi)的球體右端和煤油上游管連接時(shí)，其左端和下游管連接，上游管受到壓力后，球閥中的球閥會(huì)由于介質(zhì)壓力被緊貼于左閥體內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)其密封性，反之依靠這一原理能夠有效保證球閥的雙向零泄漏。

1.3 球閥加工工藝

性能相對(duì)較高的硬密封球閥在其自身加工工藝上更加強(qiáng)調(diào)閥座一體化，即是球體、右閥座、左閥體實(shí)現(xiàn)一體化。同時(shí)其表面應(yīng)當(dāng)實(shí)施高強(qiáng)度的硬化處理，隨后還需要予以研磨保證其光滑且產(chǎn)生不間斷密封帶，如此一來(lái)才可以更好的保證球閥零泄漏。

2 金屬密封耐磨球閥特性試驗(yàn)

針對(duì)硬密封球閥的特性試驗(yàn)，將其工作環(huán)境溫度提升到550℃，把閥座密封等級(jí)調(diào)整為ANSI/FCI70-2的Class V級(jí)的氣動(dòng)裝置內(nèi)，動(dòng)作時(shí)間5到10s。能夠觀察到，在實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)下，球閥閥門(mén)動(dòng)作頻率相對(duì)頻繁，同時(shí)溫度逐漸提升。因?yàn)榻橘|(zhì)為煤渣+N2，擁有一定的腐蝕性，然而運(yùn)行之后的閥門(mén)球體的球面依舊處于光滑狀態(tài)，這是由于硬體封的球體與閥座已經(jīng)實(shí)施了表面硬化處理，因此在煤化工生產(chǎn)工藝中用于渣水介質(zhì)的閥門(mén)不僅僅要具備耐磨性，同時(shí)要能夠擁有較強(qiáng)的耐腐蝕性，在試驗(yàn)過(guò)程中，現(xiàn)場(chǎng)儀表和防護(hù)等級(jí)為IP68，防爆等級(jí)為ExdIICT4，結(jié)合這一試驗(yàn)結(jié)果能夠了解到硬密封球閥必須要滿足以下幾種特性：

一是較強(qiáng)的耐磨性。球閥因?yàn)橛龅礁邷匾约俺掷m(xù)運(yùn)動(dòng)摩擦的影響，必須要具備耐磨性，一般是球面和閥座需要噴涂碳化物，同時(shí)噴涂厚度為0.2到0.4mm左右，硬度也需要控制在65HRC以上，如此才可以確保其耐磨能力達(dá)到需求，保證其工作壽命；二是較強(qiáng)的耐腐蝕性，閥體材料的介質(zhì)一般選擇雙相不銹鋼或合金；三是密封性，能夠符合密封試驗(yàn)要求，保證在煤化工生產(chǎn)工藝中球閥能夠?qū)崿F(xiàn)雙向零泄漏；四是雙密封閥座，主要用于自動(dòng)密封雙活塞效應(yīng)來(lái)阻斷介質(zhì)，防止閥座浮動(dòng)產(chǎn)生泄漏，實(shí)現(xiàn)雙向密封性[2]。

3 煤化工硬密封球閥的應(yīng)用分析

煤化工生產(chǎn)設(shè)備通常包含了相關(guān)的反應(yīng)爐、罐釜、管道為主要結(jié)構(gòu)，其中閥門(mén)屬于最核心的控制性設(shè)備，目前來(lái)說(shuō)較為常見(jiàn)的閥門(mén)有閘閥、球閥、截止閥等，其所要求承擔(dān)高壓和高溫環(huán)境，一般選擇高壓高溫的硬密封球閥為主要結(jié)構(gòu)模式。由于煤化工行業(yè)的具體情況相對(duì)特殊，對(duì)于閥門(mén)的技術(shù)性能也提出了更高的要求，為了更好的保證球閥能夠符合煤化工行業(yè)要求，需要從其核心結(jié)構(gòu)和工藝上予以分析。

3.1 核心零件工藝

硬密封球芯是球閥中十分重要的結(jié)構(gòu)，在實(shí)際的應(yīng)用中，對(duì)硬密封球閥表面硬度、圓度以及粗糙度都提出了非常高的要求，同時(shí)因?yàn)槠渥陨硖卣?，使用一般的設(shè)備對(duì)其進(jìn)行加工還存在一定的難度，所以大部分球閥必須要使用國(guó)外進(jìn)口設(shè)備來(lái)加工，從而確保其滿足特殊工藝需求。目前來(lái)說(shuō)，國(guó)外生產(chǎn)工藝較為成熟和先進(jìn)，常見(jiàn)的為超音速?lài)娡颗c熱噴涂?jī)煞N。

（1）熱噴涂工藝。這一生產(chǎn)工藝指的是在進(jìn)行噴焊過(guò)程中按照合金加工和實(shí)際工藝的相關(guān)規(guī)定，保證所使用的合金能夠在球體表面熔化，進(jìn)而有效形成熔層。最終沉淀物能夠直接確保機(jī)體得以形成，金屬結(jié)晶組織構(gòu)成合金性物質(zhì)；（2）超音速?lài)娡?。超音噴涂技術(shù)可以說(shuō)是目前國(guó)際上較為先進(jìn)的噴涂生產(chǎn)工藝，一般來(lái)說(shuō)是憑借燃燒能與電能當(dāng)成是核心原料，將所用到的噴繪材料進(jìn)行加熱并確保其順利熔化，同時(shí)進(jìn)行告訴噴繪的一種處理過(guò)程，擁有非常高的硬度和強(qiáng)度；（3）球芯磨削工藝。為保證硬密封球閥的密封性可以達(dá)到規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)球芯面和圓度都作出了相應(yīng)的規(guī)定，因此必須對(duì)球芯面予以粗磨，同時(shí)借助于含金剛石的砂條進(jìn)行精磨，保證其尺寸精度符合要求。

因?yàn)榍蜷y最終的密封性能常常是憑借球芯與閥座的共同作用而最終決定的，因此必須將閥座球面以及密封面進(jìn)行配研，保證閥門(mén)吻合度符合相關(guān)規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)，滿足密封性需求。

3.2 常見(jiàn)閥門(mén)結(jié)構(gòu)

3.2.1 兩片式球閥

其一是浮動(dòng)式結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，另外閥座球芯還具備中心性作用，彈性加載也可以確保預(yù)緊力性平衡，另外在很大程度上提高了實(shí)際裝配效率，精簡(jiǎn)了實(shí)際加工工序，這一結(jié)構(gòu)降低了球閥的成本，也促進(jìn)了閥門(mén)泄漏安全等級(jí)的進(jìn)一步提高[3]。其二為固定球的硬密結(jié)構(gòu)，這一結(jié)構(gòu)一般來(lái)說(shuō)適用在雙向動(dòng)態(tài)密封形式，指的是在左右閥座之后實(shí)施彈簧補(bǔ)償，也即是相關(guān)閥座的磨損給予補(bǔ)償和雙向密封。

3.2.2 三片式球閥

三片式球閥通常而言是根據(jù)高溫、高壓工況情況，閥內(nèi)與閥體等選擇鍛件毛坯的方式，能夠在很大程度上保證維護(hù)與閥體所使用的三片式固定球閥體。同時(shí)，閥桿還設(shè)置了防沖臺(tái)，定位套能夠有效避免閥桿因?yàn)榻橘|(zhì)壓力而沖出。三片式球閥一般可應(yīng)用在氣體的傳送和高壓煤粉中予以直接切斷。

3.2.3 偏心球閥

對(duì)偏心球閥來(lái)說(shuō)，一般使用偏心結(jié)構(gòu)予以直接鑄造，其中囊括了很多不同的類(lèi)型，對(duì)于密封部位而言屬于環(huán)形平臺(tái)。因?yàn)殚y門(mén)可以實(shí)現(xiàn)單面密封，具備較強(qiáng)的耐高溫性，所以也經(jīng)常應(yīng)用到能夠進(jìn)行調(diào)節(jié)的管道中。

3.2.4 上裝式球閥

上裝式球閥的突出特征為：閥桿、球芯以及底軸通常使用頂部安裝進(jìn)行設(shè)計(jì)，即便其處于高壓環(huán)境下也可以有效維持球體始終位于中心位置，閥桿以及球芯自身平穩(wěn)性較高，在雙向動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)盡量避免閥卡死的問(wèn)題出現(xiàn)。

3.2.5 V型球閥

V型球閥的突出特征是球體和發(fā)作選擇彈簧支撐。彈簧的形變情況下往往會(huì)讓閥座與球體產(chǎn)生直接接觸，雖然會(huì)磨損也能夠提供自動(dòng)性補(bǔ)償。球芯與閥桿一般選擇較為普遍性的連接方式，其回差相對(duì)較小，可靠性也有所提升，具備較強(qiáng)的承載力，V型球閥通常情況下能夠?qū)σ后w介質(zhì)進(jìn)行切斷與調(diào)節(jié)[4]。

4 煤渣結(jié)垢造成卡澀的解決辦法

首先，對(duì)于密封面材料而言，經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)后，從諸多密封材料中選擇出具備較強(qiáng)工況針對(duì)性，較高抗粘接性、抗氧化能力以及較好導(dǎo)熱性能、導(dǎo)電性能的硬質(zhì)合金涂層材料。此硬質(zhì)合金涂層在很大程度上解決了在高壓和高溫工況之下，硬質(zhì)合金粘結(jié)、氧化和靜電放電的相關(guān)問(wèn)題，將其應(yīng)用到固體顆粒介質(zhì)中，不管是其耐磨性或者使用壽命都有了很大程度的提高。其次，而對(duì)于密封結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，可選擇定量壓縮、雙軸承、開(kāi)口碟簧補(bǔ)償結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，確保在高溫、常溫以及低溫情況下開(kāi)關(guān)扭矩保持穩(wěn)定和開(kāi)關(guān)到位。另外，球閥卸灰槽的設(shè)計(jì)也能夠有效的處理煤渣結(jié)垢導(dǎo)致卡澀的問(wèn)題，物料進(jìn)入碟簧之后，能夠通過(guò)卸灰槽排出碟簧后的灰或漿料，避免碟簧卡死，有效確保閥座的靈活性，進(jìn)而保證此處扭矩能夠維持在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，確保正常運(yùn)行。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，硬密封球閥在設(shè)計(jì)加工過(guò)程中的材料成本較高和工藝技術(shù)較為復(fù)雜、生產(chǎn)工藝難度較大、主體材料以及密封材料的選擇和對(duì)球體圓度、光滑度、密封面吻合度都提出了更高的要求，所以閥門(mén)的價(jià)位往往是同類(lèi)軟密封球閥的6到10倍左右，而外國(guó)進(jìn)口閥門(mén)的成本又為國(guó)產(chǎn)閥門(mén)的3到5倍。對(duì)于煤化工行業(yè)生產(chǎn)而言，硬密封球閥往往都處在高溫、高壓的環(huán)境，同時(shí)包含很多固體顆粒、纖維等相對(duì)惡劣的工況下，閥門(mén)在正常運(yùn)行一段時(shí)間后往往會(huì)出現(xiàn)損壞，而很多外國(guó)進(jìn)口閥門(mén)在損壞后所需的時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，無(wú)法有效滿足國(guó)內(nèi)煤化工企業(yè)的生產(chǎn)需求，這也為閥門(mén)國(guó)產(chǎn)化創(chuàng)造了更好的機(jī)會(huì)。我們應(yīng)當(dāng)對(duì)煤化工硬密封球閥進(jìn)行更加深入全面的研究，從而為煤化工行業(yè)的發(fā)展做出更大的貢獻(xiàn)。

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