鈦冶金用高頻耐磨球閥的設計開發

孫兵兵，胡高林，耿鵬逞，張娟娟，宋 勇

(洛陽雙瑞特種裝備有限公司 中國船舶重工集團公司第七二五研究所，河南 洛陽 471000)

0 概述

氯化裝置是海綿鈦冶煉和氯化法制造鈦白粉企業的核心裝置，原料經氯化反應之后，生成四氯化鈦氣體。該裝置主要原料為低品位巖礦，含雜質高，工況惡劣，尤其是旋風分離排渣等工況，由于物料硬度高、易堆積、腐蝕性強，對閥門的使用提出了較高的要求，其使用壽命是客戶選擇的主要關注點。

原料在氯化爐中反應產生得到的四氯化鈦氣體中包含的固體渣料較多，通常采用旋風分離器分離固體渣料。渣料在旋風分離器的出口，經過兩道閥門，排出到沖渣罐或沖渣池中。

目前旋風分離器出口使用的球閥特點為工作頻率高、磨損、壽命要求高，且當四氯化鈦介質遇水或空氣中的水蒸氣時，發生反應的產物存在腐蝕。實際現場使用中，該壽命要求也常常不能得到滿足，給用戶裝置的連續運行帶來挑戰。

本文結合云南新立海綿鈦氯化裝置的實際工況，對其旋風分離器出口高頻耐磨球閥展開研究。該工況工藝要求，閥門的操作頻率為2次/min，壽命要求為3個月，總計約259 200次。該球閥工作頻率超高，屬于年百萬次級耐磨球閥，設計制造難度大，其穩定運行能給客戶帶來顯著的經濟效益。

圖1 旋風分離器出口球閥位置示意

1 問題分析

該工況為典型的固體顆粒介質用快速切斷、工作頻率高、耐磨、耐腐蝕工況，此工況硬密封球閥容易產生的問題有：(1)密封面磨損，指的是閥體主密封(球體與閥座密封)[1-2]；(2)物料堆積、閥門卡死，操作不動，此時若盲目增大操作力，可能會導致驅動連的零件如閥桿、聯軸器損壞；(3)閥門密封不嚴，導致四氯化鈦和下游或空氣中的水蒸汽混合，分解產生鹽酸，導致閥門腐蝕嚴重。

應對這些問題，應合理選擇閥門類型、零件材料、密封結構和適合的涂層及其加工工藝；嚴格要求閥門結構設計；在制造環節，應嚴格控制密封面加工精度，保證球體、閥座密封面較高的配合度，使得密封效果良好、摩檫力小[3-5]。

2 工況參數

工況基本參數如下：

公稱通徑 DN300

公稱壓力 PN10

介質 四氯化鈦氣體和固體渣料

使用溫度 200 ℃

設計溫度 240 ℃

閥門動作頻率 2次/min

行程時間： ≤10 s

密封性 滿足GB/T 26480—2011要求

操作方式 氣動

手動操作 帶(備用)

使用壽命 ≥3個月(≥259 200次，年百萬次級)

3 閥門設計

3.1 結構設計

根據該閥門工況，結合其高頻、耐磨、耐腐蝕、防介質堆積等要求，從設計端對閥門的使用性能進行針對性設計和調控，確定該閥門的設計結構特點為：三體式固定球閥；閥座的密封面加寬設計；球體采用樞軸固定；用圓柱彈簧施加預緊密封力，設彈簧腔以對圓柱彈簧進行保護；加粗的閥桿設計，采用較安全的驅動鏈設計，按公稱壓力選擇驅動機構，采用氣動雙作用執行機構，帶手動液壓操作機構。結構示意圖如圖2所示。

圖2 旋風分離器出口高頻耐磨球閥結構設計

3.2 材質選擇

因產品可能面臨四氯化鈦分解后產生的酸性腐蝕環境，因此需要選用具備一定耐腐蝕性能的主體材料。由于球體和閥座零件的表面進行硬質合金噴涂，故要求其噴涂涂層也具備相對較好的耐腐蝕性能，使得其在局部腐蝕后，涂層不脫落，仍能完成正常的操作和密封。各零件選材如下：

閥體：F304

閥桿：XM-19

球體：F304+Ni60

閥座：F304+Ni55

彈簧：Incoloy X750

螺栓：ASTM A193 B8M CL.2

螺母：ASTM A194 8M CL.2

3.3 設計計算

3.3.1 基本設計

最小壁厚，按《GB/T 12224—2015鋼制閥門 一般要求》，并參考《ASME B16.34—2017法蘭、螺紋和焊接端連接的閥門》相應材料的溫度壓力額定值，確定閥門的最小壁厚為15 mm。

法蘭端，按《HG/T 20592—2009鋼制管法蘭》。

結構長度，按《GB/T 12221—2005鋼制閥門 結構長度》。

最小通道直徑，按《GB/T 12224—2015鋼制閥門 一般要求》，300 mm。

3.3.2 球體

球體通道直徑按閥門通道直徑，球體直徑按公式(1)，并考慮加工、工況等特點適當增大，取480 mm。

D=SQRT(d)+bM

(1)

式中D—球體直徑，mm；

d—流體通道直徑，mm；

bM—密封面寬度，mm。

3.3.3 主密封

密封設計應滿足密封條件。密封部位包含閥座密封即閥門主密封，閥座與閥體密封，閥體連接密封，閥桿密封等。現僅介紹主密封的計算。

q=N/AMH

(2)

qmin≤q≤[q]

(3)

式中N—密封面上的法向力，N；

AMH—密封環帶面積，mm2；

qmin—必需密封比壓，MPa；

[q]—密封面材料的許用比壓，MPa。

N=FMZ/cosα

(4)

FMZ=FMY+FMJ

(5)

(6)

(7)

AMH=2×π×R×(L1-L2)

(8)

cosα=(L1+L2)/R/2

(9)

(10)

(11)

qmin=c+K×P/SQRT(bM/10)

式中FMZ—閥座密封圈的總作用力，N；

FMY—彈簧對閥座的預緊力，N；

FMJ—介質經球體壓在下游閥座密封面上的力，N；

DMW—閥座密封面外徑，mm；

DMN—閥座密封面內徑，mm；

qMYmin—閥座預緊的最小比壓，MPa；

P—介質壓力，MPa；

R—球體半徑，mm；

L1—球體中心至密封面內徑的距離，mm；

L2—球體中心至密封面外徑的距離，mm；

α—密封中徑方向與通徑軸向的夾角，°；

c—基礎密封比壓系數，對硬面材料，c=3.5；

K—介質壓力系數，對硬面材料，K=1。

3.3.4 彈簧

閥門一般采用的彈簧有圓柱彈簧、碟形彈簧等。本工況介質含爐渣等顆粒物，采用圓柱壓縮彈簧，并設計帶防塵功能的彈簧安裝結構，以保證彈簧不被介質顆粒卡住，具備長期的使用性能。

3.3.5 轉矩

驅動裝置的輸出轉矩，應大于閥門啟閉動作時的摩擦轉矩，對固定球閥其組成有：球體/閥座密封面的摩擦轉矩、閥桿與填料的摩擦轉矩、閥桿與止推墊(平面軸承)的摩擦轉矩等。

M=MMF+MTL+MZT

(12)

式中M—盤閥總的摩擦轉矩，N·m；

MMF—閥盤/閥座密封面的摩擦轉矩，N·m；

MTL—閥桿與填料的摩擦轉矩，N·m；

MZT—閥桿與軸承之間的摩擦轉矩，N·m。

3.3.6 驅動裝置

按工作壓力計算扭矩的2倍進行選型，為減小驅動裝置體積重量，選擇為雙作用氣動執行器，同時配備手動液壓操作機構，作為備用操作方式。

4 密封副涂層及加工

球閥的密封副指球體和閥座，其涂層選用及加工后的精度，也是保證產品使用壽命的重要因素。

球體及閥座密封面的耐磨材料和工藝是金屬硬密封耐磨球閥最重要的技術之一，密封面耐磨材料及工藝的選用需要考慮使用工況的壓力、溫度、腐蝕性、介質硬度等因素。此外，還需要考慮密封面耐磨材料與基體材料的結合強度、耐磨層的厚度、硬度、孔隙率等多種因素，以及涂層材料對工藝、工況的適用性[3]。

涂層的制作工藝上，目前使用的主流方法有超音速噴涂、熱噴涂、激光熔覆技術等[5]，其他工藝如堆焊、滲氮、滲硼、鍍鉻，因為工藝穩定性、效率、硬化層均勻性、硬度、硬化層厚度等方面存在不足，硬密封球閥基本不采用。

根據工況的腐蝕性及涂層粉末的工藝性，我們選擇熱噴涂工藝噴涂鎳基合金，鎳是主要成分，也是耐磨材料與基體材料的粘合劑，其他元素包括鉻、硼、硅等，工藝特點是需要高溫加熱基體及鎳基合金材料，噴涂后耐磨材料與基體達到冶金結合，涂層特點為結合強度高、厚度較大(0.5～1.0 mm)、硬度較高。所選用的球體的密封面涂層材質為Ni60，硬度為HRC58～63；閥座的密封面涂層材質為Ni55，硬度為53～58。

球體、閥座的加工工序為車-噴涂-磨-配研。保證球體、閥座表面嚴密貼合的要點，是將密封副加工到公差要求范圍內，再進行球體和閥座的配研。配研后，應對球體、閥座進行的加工狀態檢測，檢測方法有：三坐標檢測、滲透性檢測等，如圖3、圖4所示。

圖3 三坐標檢測球體圓度

圖4 用煤油檢測球體/閥座密封面密封性

5 試驗驗證

閥門裝配完成后，按照試驗《GB/T 26480—2011閥門的檢驗和試驗》進行出廠性能試驗。出廠試驗合格后，在云南新立海綿鈦氯化裝置旋風分離器出口工位上進行了三個多月的實際工況運行，動作次數已超過26萬次，閥門密封良好、動作順暢、性能優異，在壽命上已經超過已知同類裝置上耐磨球閥的使用效果，有力保障了用戶裝置的連續運行。

6 結論

本文敘述了海綿鈦冶煉及氯化法鈦白粉的氯化裝置旋風分離器出口高頻耐磨球閥設計的思路、方法，并結合實際工況，進行了設計、制造實踐，經過樣機試用后表明，產品性能良好，壽命長，完全滿足工況的使用需求，其穩定運行給客戶帶來顯著的經濟效益。

圖5 旋風分離器出口球閥調試完畢