煤氣化黑水角閥損壞原因與優化方案

鄒殿超

(中海石油華鶴煤化有限公司，黑龍江 鶴崗 154100)

中海石油華鶴煤化有限公司煤制化肥項目是坐落于東北黑龍江鶴崗極寒地區條件下的第1套煤氣化裝置，該煤氣化裝置設有3臺氣化爐，為“2開1備”，采用GE水煤漿氣化技術[1-2]，以水煤漿為原料，用空分裝置供給的氧氣作催化劑，在溫度1 400 ℃，壓力6.5 MPa左右的條件下，在氣化爐內進行氣化反應，生成以氫氣和一氧化碳為主要成分的粗合成氣，經冷卻洗滌后的粗煤氣送至合成氨裝置。氣化爐和洗滌塔底部黑水通過角閥控制進入高壓閃蒸罐。

1 黑水角閥工況概述

黑水角閥是GE水煤漿煤氣化裝置中的關鍵閥門，主要安裝在氣化爐激冷室底部到高壓閃蒸罐和洗滌塔底部到高壓閃蒸罐的管道上，靠近高壓閃蒸罐。在該工況中，介質主要為高溫黑水、灰水和渣水，黑水溫度可達到240 ℃左右，最大壓差可達到6.0 MPa，工況具有高壓差、強沖刷、強腐蝕、介質為固液氣三相流等特點。閥門使用環境極為惡劣，黑水、灰水及渣水中含有氯離子、硫化氫或磷酸等強腐蝕介質，并含有大量固體顆粒?？刂崎y在使用中不但要承受閥門壓力降引起的高流速煤灰顆粒的沖刷，還要耐受閃蒸溶解的氣蝕、黑水汽化引起的腐蝕。尤其是在高壓閃蒸過程中，黑水經過角閥后從高壓直接降到低壓，由于閃蒸出大量工藝氣，黑水流過角閥節流元件閥芯的速度非常高，導致閥內件沖刷磨損嚴重。因此，流體在閥門的流場分布及流速分布對黑水角閥閥體及閥芯閥座等節流零部件的使用壽命產生巨大的影響。

黑水角閥的結構可使流體在閥體內的流向產生90°變化，流路簡單、阻力小、滲透少，適用于高壓差、高黏度、含有懸浮物和顆粒物流體的調節，可以減少閥內堵塞，也便于自清潔，延長了閥門的使用壽命，適合于高壓黑水減壓及流量調節的工況。

2 黑水角閥使用中出現的問題

2.1 閥門閥體沖穿

2) 黑水角閥運行參數。該閥門運行工藝參數見表1所列。

表1 氣化爐黑水角閥運行工藝參數

2.2 閥芯與閥套脫落

該項目使用的黑水角閥的閥套與閥芯采用機械緊固連接。由于黑水的高速沖擊或流量大范圍波動，連接處易出現松動，引起閥芯的震動；而閥芯材質為整體燒結硬質合金，硬度高，脆性大，在該頻繁振動的工況下容易出現閥芯震裂、震碎與閥套脫離現象，使閥門失去調節作用。

2.3 角閥的沖刷和氣蝕分析

1) 黑水角閥結構。該閥門主要由閥體、閥蓋、閥桿、閥芯、閥座和擴散段等組成，結構如圖1所示。角閥工作時，介質從左側入口流入，流經閥芯與閥座之間形成的節流口，再依次經過閥座和擴散段后從下側流出，即側進底出，通過閥桿的上下移動改變閥芯與閥座之間的相對位置從而改變黑水流量。

2) 閃蒸氣蝕分析。液體流過調節閥時，在節流口流速急劇上升，由能量守恒定律可知，速度上升，靜態壓力p1必然下降，當壓力下降到低于液體在當前溫度下的飽和蒸汽壓pv時，便會汽化，分解出氣體，形成氣液雙相流動，該現象為閃蒸。節流后，速度下降，壓力回升，當壓力恢復超過pv值后，液體不再繼續汽化，同時液體中的氣泡將還原為液體。在流體力學中證明，該情況下，氣泡內的壓力趨近于無窮大，有較大的壓力產生，會迫使氣泡破裂，形成強大的壓力沖擊波，對閥內件造成極大損傷，該現象為氣蝕。

圖1 黑水角閥結構示意

3) 根據黑水固液兩相流經角閥減壓后流動狀態分析，介質對閥芯、閥座、閥座后流道主要產生沖刷和氣蝕破壞。在閥門開啟節流口處其流速急劇增加，根據能量守恒定律，靜壓能轉變成動能，并且流動狀態為湍流。夾雜在黑水介質中的硬質顆粒二氧化硅等，以切割和刺入的方式高速沖刷閥內件，形成破壞力。在節流口處靜壓能最小，若截面處的壓力不大于該液體入口溫度下的飽和蒸汽壓時部分液體將汽化，使閥后形成固、液、氣三相流共存的現象，出現閃蒸。繼而壓力恢復至高于飽和蒸汽壓時氣泡破裂，形成氣蝕，使閥座后流道內表面出現蜂窩狀的小孔。在沖刷和氣蝕的雙重破壞下，即使閥芯、閥座及閥座后流道采用高硬度的耐磨材料和表面硬化處理也很難恰好適合工況要求。閥門在使用一段時間后閥內件依然出現不同程度的損傷。

2.4 閥門卡澀和外漏

黑水角閥在運行一段時間后出現閥門卡澀和外漏故障，主要原因是閥門在開關調節過程中硬質固體顆粒進入閥桿與填料的間隙處，經長期運行后引起顆粒堆積甚至結垢而將閥桿卡住，導致閥桿輸出力不足，引起閥門卡澀。并且填料被硬質固體顆粒破壞后極易出現外漏現象[3]。同時，也存在閥門執行機構的安全系數選擇過小，無法在正常的氣源壓力下將閥門正常打開，出現卡澀問題。

魚粉、魚排粉粗灰分含量是魚粉原料魚的一種自然屬性表現形式，原料魚個體大則骨骼成分含量高。如果將魚體兩側的肌肉作為魚片切除，剩下的魚排、內臟等作為魚排粉的生產原料，得到的魚排粉中粗灰分含量就很高。本文中的魚排粉主要為羅非魚、越南巴沙魚的魚排粉，都是魚片生產后的魚排和內臟制成的魚排粉，因此其粗灰分含量大于25%。

2.5 筒體耐磨段和筒體法蘭蓋沖刷腐蝕

1) GE水煤漿煤氣化裝置在正常運行過程中，氣化爐激冷室底部和洗滌塔底部產生的黑水經角閥后進入高壓閃蒸罐，黑水角閥后設置筒體，用以減緩高壓黑水對閃蒸罐的沖擊，高壓閃蒸壓力設定為0.8 MPa。由于該角閥前后壓差較大，且黑水中含有大量的固體顆粒，約240 ℃的高溫黑水出角閥后瞬間發生汽化，角閥筒體內介質流速瞬間增大，加劇了角閥筒體的磨損，嚴重時角閥筒體被黑水磨穿，角閥筒體磨穿后大量黑水外溢，外溢黑水不但影響系統的正常運行，還嚴重影響現場工作環境[4]。

2) 自裝置開車以來，黑水角閥閥座及閥芯被沖刷磨損，角閥筒體側上部多次因沖刷發生泄漏，嚴重制約著裝置的穩定運行，氣化爐停車檢修期間發現閥座局部沖刷嚴重，閥芯表面硬質材料磨損嚴重。分析原因后，確定為閥門CV值過大，開度變小，黑水流經角閥處形成偏流，從而導致閃蒸，角閥閥座出現局部磨損，內件磨損腐蝕，引起黑水偏噴現象。

3) 黑水經角閥減壓流出后，由于流速在角閥筒體內急劇增大，會有大量固體顆粒的黑水直接噴向角閥筒體底部法蘭蓋，從而造成黑水角閥筒體底蓋磨損嚴重，曾發生幾次外漏現象。

3 閥門使用中預防措施與閥門線下優化方案

3.1 防護措施

1) 閥門在開箱驗收、安裝調試過程中要全面跟蹤確認，確保閥門的執行機構附件完好無損，閥門安裝前確保閥體內部無臟亂異物，閥門法蘭口密封面無損傷。閥體與管道連接的密封墊采用316不繡鋼加柔性石墨制作而成的雙金屬纏繞墊，特別適用于負荷不均勻，接合力易松弛，溫度與壓力周期性變化，有沖擊和震動的場合。該方法能有效地保證閥門的密封，確保閥門無外漏現象，并確保安裝中閥門限位調整精準。

2) 為了確保閥門能正常開關調節，DCS操作畫面上應能準確反應閥門的開關動作狀態，確保操作人員能及時準確地在DCS監控畫面上發現閥門開度情況，及時聯系維護人員處理[5]。

3) 加強對執行機構儀表氣源壓力過濾減壓閥的巡檢力度，盡量避免因執行機構氣缸壓力不足導致閥門開關不到位的現象發生，并確保儀表空氣的潔凈與通暢，防止儀表氣源壓力不穩造成閥門開度調整不順暢，增加調節時間，影響閥門正常使用。

3.2 閥門線下優化方案

3.2.1優化閥體內腔結構

閥體內腔采用標準的角式流線型設計，且閥腔內過渡處盡量采用大圓弧設計，以避免滯留點和急轉彎。若存在流速高、腐蝕性強的惡劣工況，閥體內壁還應采用噴涂硬質合金硬化處理，以提高閥體內壁耐沖刷和耐腐蝕能力。閥門公稱直徑及節流口規格應盡量按照設計數據表選型，以提高閥門的整體性能。

3.2.2優化閥芯閥桿與閥套連接結構

閥芯與閥套連接通常采用螺栓鎖緊閥套后再用螺釘緊固防松。從抵抗介質側面沖擊方面分析，優化方案為在閥芯和閥套處進行外部焊接處理，以保障其安全可靠性。

3.2.3材質處理優化

黑水角閥的閥芯、閥座應采用整體燒結的硬質合金，硬度不小于HRC70。在閥座后流道適當距離內襯整體燒結的硬質合金，目前國內外角閥生產廠家通過在閥座流道后襯一段硬質合金管，即擴散段，硬度大于HRC60，其余流道內噴涂碳化鎢或堆焊硬STL合金，一種鈷鉻鎢合金，硬度高，耐熱、耐磨性好、抗腐蝕性強，以減少介質對管內件的沖刷和氣蝕破壞。硬質合金應采用整體燒結碳化鎢，以提高材料的致密性，增加晶粒間的粘合力，從而保證更好的硬度和強度。

由于氣蝕的嚴重性往往發生在金屬表面，也可在閥芯、閥座、閥座后流道處噴涂碳化鎢或堆焊一層硬質合金，即表面硬化處理，推薦選用STL合金。

閥門噴涂碳化鎢和堆焊硬質合金相比，噴涂沒有堆焊結合度好，噴涂屬于機械結合，堆焊屬于冶金融合不會像噴涂一樣起皮脫落。噴涂的厚度約為0.5 mm，而堆焊的厚度能達到約3 mm，因此堆焊硬質合金的閥門要耐用一些。該項目選用的黑水閥門的閥芯和閥座選用堆焊STL硬質合金。

3.2.4優化執行機構和填料密封結構

執行機構應采用彈簧薄膜執行機構或免維護氣缸活塞執行機構，若選用氣動薄膜時體積過大則應選氣缸式執行機構。在失去儀表氣源或儀表信號時，彈簧安全自動復位，控制閥必須回到工藝安全位置。氣源設計壓力為0.6 MPa，但要求當執行機構使用在0.4 MPa氣源壓力下、閥門承受最高壓差或關閉時單向壓差等于最大工作壓力的120%時，閥門仍然能夠保持動作自如、靈活可靠。所有閥門的執行機構要計算推力，以確保在最大壓降下閥門能可靠開啟和關閉。同時控制閥最好配備一個可調整的機械限位裝置，當輸出控制信號為零時，可調整閥芯離開閥座至少 5%，防止因背壓過高，閥門無法打開的現象。

黑水角閥的閥桿比較長，易受介質側面沖擊引起振動，因此在設計工況允許的條件下，適當增加閥桿直徑和對中導向套數量，增強閥桿的穩定性。黑水角閥應適當優化選型，控制閥門正常工作開度在30%～80%，避免小開度工作，減少黑水中的介質顆粒對閥芯與閥套的異常沖擊。

在閥桿密封填料函處必須設計有防細小物料進入填料密封系統的自清潔結構，同時在設計允許的條件下，盡可能增大執行機構的安全系數，解決因少量物料堆積引起的閥門卡澀。

3.2.5閥門CV值選大優化方案

1) 在閥門后加限流孔板來消耗一部分壓降，顯然根據現場實際情況實現比較困難。

2) 適當關小管路上的手閥，使黑水角閥獲得較為理想的開度。

3) 縮小閥門口徑，由上述計算公式可知，CV值減小，qm也減小，為保證通過閥門的流量不變，必須加大閥門開度，避免了閥門在小開度工作。該方案在經費允許的情況下，可根據計算適當換成小口徑閥門。

3.2.6優化筒體和底部法蘭蓋方案

針對黑水角閥下側筒體處磨損嚴重的情況，在裝置停車檢修期間，在筒體外圍處堆焊鋼板，做加厚處理，延長使用周期，同時在筒體內增加耐磨襯里，減緩黑水對角閥筒體的沖刷，從而整體延長了角閥筒體的使用壽命。針對高壓黑水對角閥筒體底蓋的磨損現象，通過在角閥筒體底部大蓋上堆焊鋼板，增加底板厚度來解決磨損問題。

閥門長期工作在惡劣的工況下，磨損不可避免。由于進口閥門的維修費用較高，該項目根據實際情況，本著降本增效的原則，積極選擇中國知名維修閥門企業維修，以此保證能及時修復損壞嚴重的閥門，保證裝置的正常生產。

密切關注國內同行業同工況下進口黑水角閥和國產黑水角閥在GE水煤漿煤氣化裝置中的使用情況，并和閥門企業技術人員做技術交流，了解掌握不同閥門企業、不同結構的閥門，通過對比研究，逐步實現閥門的國產化。

4 結束語

該項目自開車以來，黑水角閥在該工況下基本滿足使用要求，通過了東北極寒地區條件下的考驗，在GE水煤漿煤氣化裝置中運行狀況相對穩定，為氣化爐的安全運行提供了保障，從而保證了裝置安全、平穩、長周期滿負荷的運行。黑水角閥也存在著缺陷，仍有完善的空間，本文通過對黑水角閥閥芯、閥座的沖刷腐蝕和閥門氣蝕閃蒸的研究分析，提出了合理優化方案，期望對相關的生產企業提供參考性價值。