甲醇氣化裝置黑水角閥國產化技術應用

邊勝利

（中國石化長城能源化工（寧夏）有限公司儀表中心，寧夏靈武 750409）

0 引言

中國石化長城能源化工（寧夏）有限公司甲醇運行部氣化裝置采用GE 公司的徳士古水煤漿氣化技術，配置3 臺氣化爐以煙煤為原料生產甲醇50 萬噸/年、10萬噸/年一氧化碳、6000 噸/年氫氣的一體化項目，高壓閃蒸系統黑水角型調節閥采用美國福斯FLOWSERVE Survivor/A ngle，閥門位號：FV-021304A1/B1/C1-2；工藝參數：介質黑水，最大關閉差壓6.33 MPaG，溫度246 ℃，口徑3"，壓力等級CL900。

1 高壓黑水角型調節閥

2014 年1 月甲醇運行部開始投料生產運行9個月后，6 臺高壓角閥陸續出現流量無法穩定控制，離線檢查發現角閥閥芯、閥座、下閥套沖刷磨損嚴重，WC 燒結出現損壞，閥門調節性能下降，影響裝置運行操作見圖1和圖2，同時閥門配套的大小頭變徑法蘭頸部文丘里附近出現孔洞，造成氣化爐停車或采取帶壓堵漏修補變徑短接見圖3和圖4。

圖1 高壓角閥使用前

圖2 閥芯閥座磨損

圖3 文丘里使用前

圖4 文丘里補焊后

2 閥門磨損原因分析

2.1 閥芯損壞情況

閥芯在A，B，C 等3 處有損壞（圖2），其中A 處損壞最為嚴重最大沖刷汽蝕深度3 mm 左右，B 點主要是汽蝕導致尺寸變小5 mm 左右，C 點噴涂層剝落，通過殘留看，原來閥門表面耐磨噴涂層小于1 mm。

2.2 閥座損壞情況

閥座E 處見圖2，主要是汽蝕導致尺寸變形3 mm 左右，D處主要是沖刷尺寸略微減小。

2.3 損壞分析

角閥處于最小開度時見圖5，閥芯B 處距離閥座上表面D距離較小，高壓介質在此處形成第一道節流，節流后壓力不能迅速恢復到飽和蒸氣壓以上，故在B 和D 的接觸面上形成了閃蒸汽蝕，所以才會看到照片中情況。照片中的沖刷是由于高壓含固介質高流速運動，摩擦節流元件表面導致。原閥門采用的是表面噴涂耐磨材料技術，閥芯的基材物理性能和耐磨層的物理性能差別很大，由于耐磨層比較薄，很容易被沖刷一個小口，一旦有小缺口產生耐磨層會慢慢從基材上剝落，從而出現上述現象，另由于采用噴涂技術耐磨層和基材的結合強度，兩者硬度差較大，從而本身就比較容易剝落。

圖5 角閥開度

3 初次改造方案

2015 年經中心聯系國外公司采購備件，廠家報價較高，供貨周期27 周，嚴重影響甲醇運行部檢修進度。聯系國內閥門制造單位某工廠進行分析閥內件損壞原因，重新計算CV（Circulation Volume，流量系統）值，調整WC（Wolfram Carbide，碳化鎢）配比，提高硬度并加工測繪備件，經分析因閥門開度較小，出現閃蒸汽氣蝕沖刷，由于高壓含固介質高流速運動，當介質通過閥芯達到下閥套時，此時壓力降低至介質飽和壓力，產生氣蝕，加之介質在此時為高流速，因而使介質產生帶高能量氣泡碰撞閥芯、閥座及下閥套摩擦節流元件表面導致出現閃蒸汽蝕，通過重新設計流道和更改碳化鎢配方給予解決，現場測繪重新計算CV 值，調整WC 配比提高硬度加工兩套閥內件，使用3 個月下線檢查，發現部分閥芯閥座出現磨損現象（圖6 和圖7）。

圖6 國內某工廠閥芯

圖7 國內某工廠閥座

4 最終方案

2017 年5 月公司通過浙江理工大學博士研究站、南京自控有限公司及中國石化寧夏能化儀表中心三家聯合對角閥的磨損、結構、閥門使用技術攻關，浙江理工大學博士研究站通過研究認為高壓角閥在煤化工領域的應用極為廣泛，長期承受高溫、高壓差工況及液—固沖刷，且在減壓過程中易發生閃蒸，具有沖蝕磨損和氣蝕失效的雙重風險。GE 煤化工系統氣化和渣水處理裝置的黑水角閥在運行過程中出現了嚴重的閥芯磨損，閥體及閥座后流道沖蝕、氣蝕、閥瓣脫落和閥門卡塞等現象，黑水角閥出口的文丘里擴管已出現明顯的局部減薄和穿孔現象，不僅影響企業的生產計劃、成本與效益，而且還嚴重威脅著安全生產，已成為制約煤氣化裝置長周期穩定運行的重要障礙，研究主要項目有黑水系統的工藝過程及失效機理研究；黑水流道液固兩相流動磨損預測研究；閃蒸閥文丘里擴管氣蝕失效預測研究；管道閥門流動腐蝕失效分析及防控方案研究；管閥系統耐流動腐蝕成套工程優化及運行指南，提供2 種以上黑水角閥系統耐流動腐蝕創新設計方案，確保黑水管閥系統的最大沖蝕磨損率降低20%以上，提供黑水角閥專家診斷監管系統1 套。

2017 年7 月公司通過浙江理工大學博士研究站、南京自控有限公司對南京惠生化工有限公司高壓角閥考察，評估高壓角閥應用情況，對比現場的實際工況、介質壓力、壓差、操作過程等，對高壓角閥的閥內件損壞的原因進行分析，經分析原因得出由于閥門閥位一直處于小開度調節，介質的流速高，易出現閃蒸汽、氣蝕沖刷，由于介質中含有顆粒且高流速運動，當介質（液固）兩相流經角閥閥芯與閥座之間的“間隙”減壓后夾雜在黑水中的硬質顆粒以切削、梨溝和刺入的方式對閥內件進行高速沖刷形成沖蝕，在節流口處靜壓能最低，若縮截面處的壓力等于或小于該液體入口溫度下的飽和蒸汽壓時部分氣體將氣化，使閥門形成氣、固、液這三相流共存的現象，出現閃蒸，繼而壓力恢復至高壓飽和蒸汽壓時氣泡破裂，造成閥芯、上下閥座被沖刷、閃蒸、氣蝕形成破壞點，由于流速、閥位、溫度等原因加速了閥芯、上下閥座沖刷損壞的速度最終導致閥門由于內件的沖刷、損壞失去調節功能，造成裝置無法正常生產。

2018 年3 月中心試用南京自控高壓黑水角閥TS271020P-2020 系列，閥門規格型號VPAS-DN80-ANSI900，該高壓單座角閥是一種頂導向的單座角閥，流向為側進底出，進口和出口采用不同的口徑，出口口徑為擴徑，閥體設計為球形，壓降損失小，流量大，可調范圍廣，介質不易在閥體腔內沉積，適用于壓差大，介質含有固體顆粒等黑水工藝條件惡劣的場合，閥芯采用整體碳化鎢，并采用直徑加粗的閥桿導向，提高剛性，抗震抗沖擊性能好，閥桿噴涂硬質合金，提高閥門的耐磨性，閥座及下擴散段流道內襯碳化鎢，執行機構為氣缸執行機構，結構緊湊，輸出力大，具有耐沖蝕單座角閥是一種針對煤化工環境下的高壓差，介質為含有固體顆粒的液體，存在閃蒸，空化及沖刷嚴重的場合而設計的高壓角閥，經過試用運行周期已超過6 個月，下線檢查閥門磨損較小，運行穩定，閥門開度控制在25%左右，達到進口閥門使用周期（圖8 和圖9）。

圖8 使用后的閥芯

圖9 使用后的閥座

5 南京自控高壓黑水角閥特點

（1）閥門維修方便。閥門的設計考慮到零部件的易更換性，可以在現場方便的更換閥芯、閥桿、閥座和填料等零部件，整閥的維護十分方便。

（2）流道設計流暢。閥體流道采用流線型設計，介質在閥內流動時，沒有急轉彎或滯流點，可最大限度地減小流阻及沖蝕。

（3）材料選擇考究。流體經過閥座喉部時，其壓力降低到介質在此溫度的飽和蒸汽壓以下，介質被氣化形成固、液、氣三項流，閃蒸介質及固體顆粒沖蝕會對普通材料造成破壞，所以閥頭及閥座選擇耐沖蝕、耐腐蝕的硬質合金碳化鎢。

（4）采用上下導向管結構。上下導向管可以使閥桿更穩定的動作，而且下導向管不但可以刮除粘結在閥桿上附著物，有效地防止填料腔內結硅，又可抑制閥桿振動。

（5）采用彈簧返回式雙作用氣缸。不用增加儲氣罐即可實現故障位置的開關，而且增大了閥門的輸出力，提高了穩定性以及調節精度。

6 高校課題研究

浙江理工大學博士研究站在2017 年5 月與寧夏能化建立技術項目攻關小組，開展數據收集建立黑水系統管道閥門流動腐蝕預測防控工程優化課題，針對煤化工黑水系統普遍存在的沖蝕磨損和氣蝕失效，擬開展含氣液相變的氣—液—固三相流對黑水角閥及配套文丘里擴管的流動腐蝕機理、數值模擬和實驗研究。通過基礎理論體系的研究，揭示黑水系統的流動腐蝕機理；結合流體動力學仿真，建立閥門、管道的磨損和氣蝕的失效表征和預測方法；通過對沖蝕磨損/氣蝕實驗數據的回歸分析，形成黑水系統流動腐蝕校核方法；基于失效預測及校核方法，針對黑水角閥及配套文丘里擴管開展耐流動腐蝕結構優化，提出黑水系統設計、選材、制造、運行等閉環管理措施，形成具有自主知識產權的黑水系統耐流動腐蝕成套設備及關鍵技術，從根本上提高黑水系統的運行可靠性和本質安全。

6.1 工作目標

（1）提供黑水角閥系統流動腐蝕失效分析報告，流動腐蝕失效形式≥2 種。

（2）提供2 種以上黑水角閥系統耐流動腐蝕創新設計方案，確保黑水管閥系統的最大沖蝕磨損率降低20%以上。

（3）提供黑水角閥專家診斷監管系統，可實現20 通道以上數據采集，實時動態監測6 種以上失效控制參數；黑水角閥及配套文丘里擴管數據模型，切實提高現有裝備的運行適應性、可靠性和安全性。

6.2 研究方法

（1）通過腐蝕調查、腐蝕案例分析，整理流動腐蝕失效基礎數據，進行煤化工系統氣化和渣水處理過程工藝關聯分析，研究黑水角閥系統內操作條件與流動腐蝕狀態關聯關系，確定影響多相流沖蝕磨損及氣蝕的關鍵因素，明確黑水角閥系統失效機理。

（2）選擇典型工況和介質物性參數，針對黑水角閥系統進行流體動力學建模和仿真，獲得不同黑水角閥及文丘里擴管處不同區域的流速、壓力、相分率等關鍵流體動力學參數分布規律，確定磨損/氣蝕的高危區域。

（3）運用旋轉式液固兩相流沖蝕磨損實驗裝置，針對黑水角閥系統不同材料表面硬化工藝，進行不同轉速、沖擊角度、含固率等對典型材料的沖蝕磨損率影響規律；運用空化水洞試驗平臺，開展不同進出口壓力、流量、閥門開度等工況下的模型閥門的空化實驗，提出黑水角閥系統氣蝕失效的表征參數和評價方法。

（4）進行液固兩相流沖蝕磨損實驗以及閥門氣液相變實驗的數值模擬，將數值計算與實驗結果進行對比，驗證數值計算模型和方案的準確性，實現定量計算。

（5）進行黑水角閥系統的磨損—氣蝕協同作用的失效模式研究，構建的流動預測防控體系，進行沖蝕磨損及氣蝕等失效關鍵參數間的關聯分析、數理建模，形成磨損/氣蝕的狀態監測方案，研發在線診斷監管系統。

（6）基于流動腐蝕預測，對黑水角閥閥芯、閥座、縮流截面、文丘里管擴張角度等進行設計優化，對黑水角閥材料、硬化涂層進行選材優化，提出閥門的設計選材及運行工藝優化方案，形成管閥系統耐氣蝕、磨損成套工程優化技術。

6.3 課題意義

黑水系統在煤化工領域的應用極為廣泛，是煤氣化裝置的重要系統之一。該系統長期在高溫、高壓差及液—固沖刷等嚴苛工況下運行，且介質在減壓過程中易發生閃蒸，具有沖蝕磨損和氣蝕失效的雙重風險。目前，德士古煤化工系統氣化和渣水處理裝置的黑水角閥在運行過程中出現了嚴重的閥芯磨損，閥體及閥座后流道沖蝕、氣蝕、閥瓣脫落和閥門卡塞等現象；黑水角閥出口的文丘里擴管已多次出現明顯的局部減薄和穿孔泄漏，不僅影響企業的生產計劃、成本與效益，而且還嚴重威脅著安全生產，已成為制約煤氣化裝置長周期穩定運行的重要障礙。

研究成果在一定程度上促進和提升了黑水系統耐流動腐蝕可靠性的發展，但應用過程仍然存在許多局限性，目前黑水系統管道閥門流動腐蝕的防控方法多集中在材料升級、表面工藝技術提升、流道結構優化等方面。

由于煤化工黑水系統涉及到相變、傳質、腐蝕等多因素關聯過程，介質成分較為復雜，且流道結構會隨著閥門開度和閥芯的損傷而持續變化，目前還缺乏針對性的有效預測防控措施，因此，開展黑水系統的工藝、設計、制造、運行等關鍵技術的研究攻關，完善流動腐蝕防控體系將是未來一段時間內發展的重心，相關項目研發成果可為煤氣化黑水系統的長周期安全運行樹立示范，并可推廣。

7 效果評價

國內閥門生產單位對高壓角閥的技術攻關試用及下線檢查，閥內件8 個月內沒有出現太大的磨損，截止目前還在使用中，延長了國產閥門使用周期，解決制約煤化工高壓角閥長周期運行的關鍵技術難題。

8 結束語

黑水角閥系統腐蝕防控監測系統構建，在沖蝕磨損—氣蝕機理及危害源分析的基礎上，結合工藝過程的關聯分析及實驗獲得的流動腐蝕數據庫，針對不同材料、操作工況及工藝過程，開展黑水角閥系統的防控體系研究。通過對黑水角閥系統流動腐蝕的實時狀態監測，建立材料防腐、設備防腐、工藝防腐，流動腐蝕預測防控等一系列技術創新與閉環管理，實現煤化工裝置長周期安全運行。

鑒于黑水系統的原料煤的組分不同工藝操作復雜、運行工況苛刻、介質腐蝕性強，影響設備流動腐蝕失效的因素眾多，缺乏針對性的失效控制及預防措施，難以從根本上解決黑水角閥系統的失效難題，而國內各大公司的煤化工系統中均存在黑水角閥的磨損和氣蝕失效，已嚴重影響到煤氣化系統的安全生產和長周期運行，因此，對黑水系統運行可靠性的關鍵性技術需求潛力巨大。

耐沖蝕單座角閥是一種針對煤化工環境下的高壓差，介質為含有固體顆粒的液體，存在閃蒸，空化及沖刷嚴重的場合而設計的高壓角閥，國外產品價格昂貴，供貨周期長，國內閥門廠家經過實踐檢驗，具有價格低，可靠性高，設計成熟，可以滿足工藝條件的需要，是煤化工系統黑水，渣水調節控制的理想替代產品。