黑水調節(jié)閥設計與應用

付 豪,母文豪

(1.艾坦姆流體控制技術(北京)有限公司， 北京 101300;2.艾坦姆流體控制技術(山東)有限公司， 山東濟寧 272000)

在煤制甲醇、煤制乙烯、煤制合成氨等領域，水煤漿氣化工藝促進了煤化工產業(yè)的量產化、經濟化。在水煤漿氣化工藝中，除了閃蒸罐作為合成轉換的核心裝置外，氣化爐與洗滌塔內的黑水調節(jié)閥也是不可缺少的組成部分。黑水調節(jié)閥的長期穩(wěn)定運行影響整體裝置的持續(xù)生產，但在嚴苛工況下，黑水調節(jié)閥使用壽命極短[1]。

1 黑水工況分析

黑水閃蒸系統(tǒng)承接來自氣化爐、洗滌塔、閃蒸罐的流體、液位調節(jié)任務[2-3]。

黑水是水煤漿氣化過程中產生的伴生產物,需要對其進行回收提純與二次利用[4]。

黑水典型的介質為固液兩相流，其中，固相質量濃度可高達3 000 mg/L。伴隨多次回收沉降，固體顆粒的質量分數(shù)為4%以上，且顆粒直徑與形狀不均勻[4]。

根據(jù)節(jié)流原理，當介質流過調節(jié)閥內部縮流斷面，壓力回升不超過入口溫度下的飽和蒸氣壓時，流體介質將會繼續(xù)汽化，在調節(jié)閥出口形成氣液共存的現(xiàn)象，即閃蒸。由于黑水調節(jié)閥的主要作用就是對介質進行減壓調節(jié)，這必然會發(fā)生閃蒸現(xiàn)象，汽化后的黑水流體體積急劇膨脹，與流入調節(jié)閥前的黑水形成了固液氣三相流。

(6)花崗巖類殘坡積物：在北西部徐家老屋及胡公山一帶分布，地貌類型為低山區(qū)，主要出露石英正長斑巖、二長花崗巖、角閃二長巖等。淀積層一般呈酸性，風化后一般成粗骨土，土質疏松，砂礫含量大。

2 黑水工況產生的危害

固液氣三相流伴隨高壓差、高流速、強腐蝕、強沖擊，黑水調節(jié)閥的工況可謂是極其惡劣。

2.1 固相方面

由于固相含量高、顆粒硬度大，在高壓差、高流速的條件下，固體顆粒成為調節(jié)閥設計的首要難點。首先，高速沖擊下的固體顆粒會撞擊流體通路上阻礙前進的零件，比如閥芯、閥座、閥桿等。這部分起調節(jié)功能的零件由于其加工材料、原材料二次處理的方式、抵抗沖擊的結構，導致在其表面產生凹坑、刮傷、裂紋。這些因固體顆粒沖擊造成的缺陷，會隨著液體閃蒸、空化的影響，再次侵蝕零件，直至零件破碎、彎曲、折斷。

其次，固體顆粒經過管道內壁、閥體內腔時，由于阻塞流或者管道轉彎、閥腔轉向過程中突然改變方向，固體顆粒伴隨液體在慣性作用下，沖擊內壁，造成管道和閥體刮傷、劃痕、異響。方向的改變也會影響局部介質的流速，產生渦流、湍流，造成管道、閥腔產生振動、噪聲。

再次，固體顆粒產生沉降問題。固體顆粒細小，極易發(fā)生沉降、結垢現(xiàn)象，易堆積在調節(jié)閥內腔死角，以及閥芯、閥座、閥桿表面，特別是用于穩(wěn)定閥桿、減少震動的閥桿導向區(qū)域。為保證閥桿與導向的穩(wěn)定，兩者的間隙不會留太大，同時閥桿會隨閥門啟閉上下運動，必然會將固體顆粒帶到閥桿與導向之間的間隙中，這就會導致閥桿與導向卡死，加劇閥桿與導向表面的磨損，最終影響閥桿的穩(wěn)定作用。同時，也會因為導向穩(wěn)定作用的減弱，使得閥芯在液體沖擊下產生振動，與閥座產生碰撞，造成閥芯與閥座的二次傷害。由于閥桿表面的磨損與刮傷，也會影響調節(jié)閥上部填料與閥桿密封的效果，造成黑水外漏、有毒氣體逸散等嚴重事故。

2.2 液相方面

由于黑水閃蒸系統(tǒng)中，調節(jié)閥面對的是高壓差工況，因此黑水液相是檢驗調節(jié)閥強度的重要組成部分。由于在高壓差工況下，為了減少閥門啟閉，在閥腔內設置用于平衡閥芯與閥桿上下兩側壓力的平衡區(qū)。液體在高壓作用下，會沖擊調節(jié)閥腔內部的平衡區(qū)域，流道形狀若不能對流體產生疏導、轉向、減速作用，則會加大閥腔內隔板的壓力承載，導致閥腔出現(xiàn)裂紋、貫通等現(xiàn)象。

同時，黑水液體的沖擊也會直接影響閥內零件的強度，導致閥內零件產生振動、磨損、彎曲，從而降低閥門穩(wěn)定性、調節(jié)精度、安全性。

2.3 氣相方面

黑水調節(jié)閥面臨高壓差工況，閃蒸與空化無法避免。汽化后的黑水流體體積急劇膨脹，對閥芯表面、閥座密封面、閥門出口處的文丘里擴口延伸管或管道產生沖擊，甚至造成零件表面破碎與管道破損。同時，也會導致管道及下游工藝設備管口產生振動。

固液氣三相流混合工況，使得黑水調節(jié)閥的使用壽命非常短，僅為1～3個月。設計者的能力是調節(jié)閥使用壽命的關鍵，下文將對各種問題提出指導性的解決方法。

3 解決方案

3.1 調節(jié)閥的結構類型

(a) 直通式

(b) 角式圖1 調節(jié)閥的結構模型

在對黑水進行調節(jié)時直通式調節(jié)閥需要進行2次急轉向，并且固體顆粒易沉降在管道與轉向處底部。而具有平滑轉向、不易沉降的角式，其結構能夠很好地引導介質流動。閥門打開時，介質幾乎不受任何阻力就可以流出調節(jié)閥，最大限度減少介質對調節(jié)閥的沖擊。

3.2 固體顆粒沖擊零件

閥內零件直接暴露在流體通路中，固體顆粒直接沖擊作用下，大幅降低零件的使用壽命，見圖2。

圖2 優(yōu)化前沖擊示例

3.2.1 強化零件

零件的材料材質及結構尺寸決定了其使用壽命。加粗調節(jié)閥閥桿，并在關鍵沖擊點噴涂硬質合金，以提升零件的使用壽命。

3.2.2 優(yōu)化介質流動

對介質流動進行疏導，或者對零件的流動結構進行優(yōu)化，避免零件直接承受沖擊，見圖3。

圖3 優(yōu)化后沖擊示例

在流體進入閥芯之前，通過流道彎曲將其引導至與閥芯形成一定角度，大幅弱化對閥芯徑向的沖擊，同時也可減少震動，保證閥門穩(wěn)定運行。閥內零件可具有一定角度、弧度，減少突起、臺階凹槽等可能影響流體流動并加劇沖蝕的結構。

3.3 固體顆粒沉積

細小的固體顆粒易堆積在調節(jié)閥內腔死角或結痂在閥芯、閥座、閥桿表面，導致流通受阻，見圖4。

圖4 優(yōu)化前沉積示例

3.3.1 減少沉積位置

將閥腔與零件設計成與液體流向一致的結構，與閥腔路徑形成整體的流線型，主動減少閥腔的靜態(tài)死角、零件易沉積的臺階等結構。流體在流動過程中可自發(fā)地將固體顆粒帶出閥腔內部(見圖5)，有助于減少固體顆粒沉積，改善閥腔結構的流通能力。

圖5 優(yōu)化后沉積示例

3.3.2 疏導沉積

在溫度、溶質、壓力等因素下，固體顆粒會附著于閥腔與零件表面，需要對閥腔結構與零件表面設置靜態(tài)疏導結構。閥腔內部易沉積位置設計排污口，通過曲面、傾斜、凹坑等結構，利用重力引導固體顆粒向排污口聚集，也可以利用流體沖刷沉積位置以達到輔助清理的作用(見圖6)。

圖6 優(yōu)化后沉積疏導示例

在零件表面,用溝槽、環(huán)槽等結構引導附著的固體顆粒，防止過渡配合導致固體顆粒的侵入而卡死，見圖7。

圖7 零件優(yōu)化后沉積疏導示例

對于需要小配合的導向部分來說，固體顆粒附著與配合表面無法避免，可以選擇螺旋環(huán)槽+豎直溝槽將部分附著與配合表面的固體顆粒掛下，已經進入配合表面的固體顆粒受液體沖刷及重力作用下順環(huán)槽排出，減少故障卡死幾率。環(huán)槽和溝槽形狀可與流體通路配合以輔助排出固體顆粒。

3.4 液體腐蝕

在設計黑水調節(jié)閥時，應充分考慮流體介質的腐蝕性與固體顆粒的沖刷性。

對于運輸作用大于承壓作用的基礎管道，可使用含碳量較低的耐腐蝕碳鋼或不銹鋼材質，其中易沖刷的重點部位如彎頭、變徑法蘭處使用不銹鋼基底并堆焊或噴涂的方式加強管道的耐沖刷與耐腐蝕性能。

對于承壓作用大于調節(jié)作用的黑水調節(jié)閥，可使用抗腐蝕、結構強度高的奧氏體不銹鋼或者雙相不銹鋼材質，其中在流體轉向、密封等主要沖刷點增加局部厚度，保證腐蝕余量，提高可靠性。

3.5 液體沖擊

黑水介質的主體是流體，因此閥腔內部流道的形狀、結構影響閥體的壓力恢復系數(shù)，是保證閥體穩(wěn)定性與安全性的關鍵。

不合理的流道設計(見圖8)會使內墻部分隔板承受不必要的沖擊，流道內部轉向僵硬；過渡部分中無用的溝槽會使流體在流動過程處于紊亂的狀態(tài)，導致閥腔內部產生渦流和紊流，沖擊閥芯、閥腔，引起震動。

圖8 優(yōu)化前液體沖擊、渦流示例

參考固體顆粒沉積的位置，改善流道的流暢程度，讓液體沒有阻礙地流出閥體是流道設計的重點。可增加流道回流、分流能力，讓閥體內腔能夠均勻承載液體壓力，并減少閥芯單側的壓力，有助于穩(wěn)定閥芯(見圖9)。

圖9 優(yōu)化后液體沖擊、渦流示例

3.6 應對空化和閃蒸

黑水調節(jié)閥在閥門出口處需要應對高壓差帶來的液體汽化以及體積膨脹所造成的空化效果，會對閥座出口及下游管道產生嚴重沖刷。此時結構性設計能夠起到的作用比較有限，只能考慮其他的方法改善出口條件。

目前可行的方法是在內部閥座出口處加裝文丘里擴徑管，加長文丘里擴徑長度，將空化現(xiàn)象控制在高強度的文丘里管內，保護下游管道及設備。

由于閃蒸無法避免，可以通過噴涂或通體硬質合金增強閥座、閥芯、文丘里管處局部結構的強度。另外,可以在文丘里管后加裝大口徑緩沖罐，以及在下游管道加厚或者堆焊、噴涂硬質合金等耐磨材料。

應在鋪設管線階段前考慮黑水調節(jié)閥出口處的高頻振動與噪聲帶來的影響，需增強管道支撐設計及防震措施。

4 結語

黑水調節(jié)閥作為煤化工設計中苛刻工況的代表，考驗設計者的設計水平與經驗。設計者需要從成本、效果、使用3個方向尋找平衡點，為閥門的“長治久安”打下良好的基礎。