煤化工鎖渣系統用高溫耐磨盤閥的設計及開發

孫兵兵，王首寶，耿鵬逞，張娟娟，周 展，楊俊峰

(1.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；2.中海石油寧波大榭石化有限公司，浙江 寧波 315812)

0 概述

盤閥是通過滑動圓盤來實現開關的一種快開快關型閥門，是專門針對帶有磨損、沖蝕性的含固物料輸送工況而設計的閥門[1]。近幾年來，盤閥在國內的煤化工氣化爐裝置、海綿鈦冶煉等粉料輸送系統等顆粒介質工況應用中，性能優異，受到了客戶的廣泛關注。

以義馬煤業綜能新能源責任有限公司(下稱義煤綜能)U-GAS煤氣化裝置為試點，展開固體物料輸送苛刻工況的高溫耐磨盤閥設計及應用研究。該公司共有3臺U-GAS氣化爐，每臺氣化爐的鎖渣系統使用高溫耐磨盤閥3臺。該盤閥工作頻率為6次/h，4個生產周期一共50 000次。

圖1 煤氣化裝置鎖渣系統盤閥使用位置示意圖

1 問題分析

該工況為典型的固體顆粒介質用快速切斷、耐磨工況，此工況之前主要使用硬密封球閥，但硬密封球閥容易產生的問題有：

(1)密封面磨損，閥體主密封(球體與閥座密封)泄漏[2-4]；密封不嚴，導致儲渣罐中壓力降低，介質泄漏到下游的儲罐或撈渣機，也給后續工段操作帶來安全風險。

(2)物料堆積、閥門卡死，操作不動，此時若盲目增大操作力，可能會導致驅動鏈的零件如閥桿、聯軸器損壞；且由于鎖渣系統位于氣化爐的出口，一旦發生卡死的情況，故障未能及時解決，將導致裝置緊急停車[5-6]。

盤閥與球閥相比，從原理上即具有獨特的旋轉自研磨密封結構，可以保證密封的長期可靠。旋轉剪切圓盤自旋轉、自研磨及增強閥座的自清潔能力，使得閥盤、閥座密封面磨損均勻，壽命范圍內，閥盤與閥座越研磨，密封效果越好。盤閥開關時剪碎通過閥門的固體介質，也可以將可能堆積的物料從密封面上刮削干凈[7-9]。

閥瓣、閥座采用硬面材料，具備優秀的耐磨性能；其閥體結構簡單，設置有彈簧補償結構，也適用于高溫工況[1]。

圖2 閥盤運動過程中的自轉

盤閥的自研磨特性是由其結構設計決定的，動作瞬間，密封面上的摩擦力不平衡，使得閥盤旋轉，每次動作即旋轉一個角度，周而復始使得密封面的各部位研磨均勻，保證長期使用的密封效果。

在操作方面，盤閥開啟過程中，物料直接向下排出，不至于在閥腔中堆積，因而不會像此類工況上用的球閥一樣經常因介質堵塞閥腔而卡死，能夠保證長期的操作性能[7-10]。

此外，為應對工況問題，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。在制造環節，應嚴格控制密封面加工精度，保證閥盤、閥座密封面較高的配合度，使得密封效果良好、摩擦力小[3]。

2 工況參數

工況基本參數如下：

公稱通徑 DN350

公稱壓力 CLASS600

介質 灰渣、合成氣

使用溫度 450 ℃

設計溫度 500 ℃

閥門動作頻率 6次/h

行程時間 ≤10 s

泄漏量 CLASS V

操作方式 氣動

使用壽命 ≥一年(≥50 000次)

3 閥門設計

3.1 結構設計

該工況盤閥在使用中的問題主要有：主密封密封面磨損嚴重；閥桿組件與閥座內孔配合處磨損嚴重；行程不到位[5-6,8]。結合其耐磨、耐腐蝕、防卡死等要求，從設計端對閥門的使用性能進行針對性設計和調控，確定了該盤閥的設計形式。

采取的措施有：(1)設計了寬大的密封面，使得閥門在較低的預緊密封比壓下即能實現密封，同時，盤閥在密封性能合格的情況下，磨損較少；(2)為改善其閥盤閥座密封面的耐磨性能，選用Ni-Cr3C2，其具有相對更高的硬度和高溫使用性能，而不使用已知盤閥采用的Ni60/Ni55材質密封副，改善了其耐磨性能；(3)針對在閥桿組件與閥盤內孔的配合處存在磨損的情況，在易磨損的零件表面堆焊鈷基硬質合金，改善其耐磨損性能，保證長期使用壽命；(4)選用較大的氣缸、較長的力臂提供足夠的驅動轉矩，保證可靠的操作性能；(5)操作行程方面，采用可調節行程設計，盤閥的開啟位置和關閉位置，均增設足夠的行程余量。

除以上外，本工況盤閥設計結構特點為：高溫氣動盤閥，設計為兩組密封副、每組密封副由一個閥盤、一個閥座組成的盤閥；閥盤為碟簧加載式浮動閥盤；閥座為固定閥座，閥座與閥體之間采用柔性石墨墊片作為密封元件；操作方式為氣動，選用雙作用式氣缸。

盤閥總裝結構圖如圖3所示。

圖3 盤閥總裝結構圖

3.2 材質選擇

因該工況溫度高，存在少量腐蝕，因此在選材方面主要考慮符合該工況溫度使用要求的材料。各零件選材如下：

閥體：F316H

閥桿：XM-19+STL6

閥盤：660+Ni-Cr3C2

閥座：F316H+Ni-Cr3C2

碟簧：Incoloy X750

螺栓：25Cr2Mo1VA

螺母：25Cr2Mo1VA

3.3 設計計算

3.3.1 基本設計

盤閥的基本設計，主要包括殼體最小壁厚、最小通徑，以及安裝和連接特征。盤閥的最小通道直徑保證了其流通性能，按《GB/T 12224—2015鋼制閥門 一般要求》，取350 mm；盤閥的殼體形成了介質壓力的邊界，保證了產品的基本安全性能，其最小壁厚，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，確定該DN350 CLASS600盤閥的最小壁厚為35 mm。

連接端為法蘭端，按《HG/T 20615—2009鋼制管法蘭》。結構長度，按《GB/T 12221—2014鋼制閥門 結構長度》，長度為889 mm。

3.3.2 密封設計

密封設計應滿足密封條件。密封部位包含主密封、閥座與閥體密封、閥體連接密封、閥桿密封等?，F僅介紹主密封，即盤閥的閥盤和閥座在關閉位時形成的密封的計算。

q=N/AMH

(1)

qmin≤q≤[q]

(2)

N—密封面上的法向力，N；

AMH—密封面的環帶面積，mm2；

qmin—必需密封比壓，MPa；

[q]—密封面材料的許用比壓，MPa。

FMZ=FMY+FMJ

(3)

(4)

(5)

(6)

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—介質經閥盤壓在下游閥座密封面上的力，N；

DMW—閥座密封面外徑，mm；

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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；

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；

bM—密封面密度，mm。

3.3.3 驅動設計

盤閥的驅動設計，主要考慮所選用氣動驅動裝置的輸出轉矩，應大于閥門啟閉動作時的摩擦轉矩，并考慮一定的安全裕量。

對盤閥，其摩擦轉矩的組成部分有：閥盤/閥座密封面的摩擦轉矩、閥桿與填料的摩擦轉矩、閥桿與軸承之間的摩擦轉矩等。各項轉矩的計算不做展開。

M=MMF+MTL+MZT

(7)

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。

按計算摩擦轉矩的2倍安全系數，選擇氣動驅動裝置，型式為活塞式雙作用氣動執行器。

4 密封副的表面涂層及加工

盤閥的密封副指閥盤和閥座，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。

閥盤及閥座密封面的耐磨材料和工藝是高溫耐磨盤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的適用性[2-3]。

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[3]，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，高溫硬密封閥門已基本不采用[3]。

根據工況的腐蝕性及加工工藝性能，選擇閥盤、閥座的密封面涂層材質為Ni-Cr3C2，噴涂方法為熱噴涂。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。

盤閥的密封副指閥盤和閥座，其加工步驟為車-硬化-磨-配研。其中提高加工的精度的要點是在保證零件位置度的條件下，將密封副加工到≤Ra0.4公差要求范圍內，再進行配研，如圖4所示。

圖4 加工完成的閥盤

配研后，應檢測閥盤、閥座的加工結果，通常的檢測方法有：三坐標檢測、煤油滲透性檢測等，如圖5所示。

圖5 用煤油檢測閥盤/閥座密封面密封性

5 試驗驗證

盤閥裝配完成后，按照試驗《GB/T 26480—2011閥門的檢驗和試驗》進行出廠性能試驗，試驗結果表明，該盤閥的各項性能，如密封性能、操作性能，均良好。目前，該產品已通過了權威機構組織的型式試驗鑒定。

圖6 調試完成的煤化工鎖渣系統高溫耐磨盤閥

6 結論

本文敘述了煤化工鎖渣系統高溫耐磨盤閥設計的思路、方法，并結合工況，進行了設計、生產實踐，經過樣機試制后表明，產品性能良好。在解決用戶工況實際問題的同時，為同類型工況上閥門的選用和設計提供了參考和借鑒。