一種應用于水煤氣分離器液位控制的軸流式多級降壓控制閥故障分析

賈國華 張 劍

（1.國能包頭煤化工有限責任公司；2.天華化工機械及自動化研究設計院有限公司）

某煤制烯烴生產廠的氣化裝置采用德士古氣化爐水煤漿加壓氣化技術，該氣化爐只設計有一個燒嘴， 在磨煤單元配置好的60%的水煤漿和從空分來的高壓氧氣同時經過此燒嘴進入氣化爐燃燒，爐膛的燃燒溫度控制在1 100～1 300 ℃，此過程為不完全燃燒反應，燃燒反應產生的合成氣主要以CO和H2為主，合成氣經過從激冷室引入的激冷水水洗和降溫后，沿下降管從氣化爐流出后又進入洗滌塔，洗滌掉大部分灰分和部分水溶性氣體，最后進入水煤氣分離器，氣體折流向上，在水煤氣分離器內部進行旋風分離，旋風分離的目的是清除合成氣中攜帶的灰分和液滴；經過水煤氣分離器清除掉灰分和液滴的合成氣，再由設有瓷球過濾床層的過濾器過濾掉細灰后送往變換系統。

水煤氣分離器的作用是通過頂部設置的旋風分離器，將粗煤氣中攜帶的灰分和水分與合成氣分離， 將合成氣的水氣比控制在合理范圍，如果液位控制不好或無法控制，會導致合成氣帶水嚴重，對后續變換爐觸媒催化劑的活性造成很大影響，導致變換爐床層溫度波動甚至停車，分離后的灰水通過水煤氣分離器液位控制閥進入后續高壓閃蒸水處理系統。 水煤氣分離器液位控制閥的運行環境是含灰分顆粒物的高壓冷凝液，操作溫度241 ℃，操作關閉壓差7.15 MPa，該閥原設計為4″（1″=25.4 mm）硬密封單座閥，閥芯和閥座材料為316L+STELLITE，閥體材料WC6。筆者就水煤氣分離器液位控制閥在運行過程中存在的問題進行分析，并給出解決辦法。

1 液位控制閥存在的問題及原因分析

水煤氣分離器的液位控制閥在運行過程中故障率極高，使用周期短（一般約一個月），主要故障表現為閥芯和閥座沖蝕嚴重、內漏大以及閥體穿孔泄漏。

分析液位控制閥發生以上故障的原因如下：

a. 水煤氣分離后，高壓冷凝液含灰，而且控制閥前后壓差大，由于閃蒸的作用，沖刷和氣蝕嚴重。

b. 閥門口徑選型不合理， 此閥閥體尺寸4″，在運行過程中，閥門一直處于小開度工作，加重了對閥內件的沖蝕。

c. 閥體材料選型不合理， 在這種高壓差、高氣蝕和強腐蝕性工況下，閥體應該選擇硬度更高的材料。

2 技術方案

筆者針對水煤氣分離器液位控制閥使用過程中故障率高、閥芯和閥座沖蝕嚴重、內漏大、液位無法控制及閥體穿孔泄漏等問題提出解決辦法。

通過對控制閥運行實際工況的深入分析，確定對水煤氣分離器液位控制閥從閥體結構［1］、口徑選擇及閥體材料等方面進行徹底改造，達到在高壓差工況下耐沖刷、 耐氣蝕和抗腐蝕的效果，延長設備使用壽命，提升水煤氣分離器液位調節精度，進一步保證水煤氣分離器對合成氣的分離效果，為后續變換工況提供合格的原料氣。

基于實際工況，從以下6方面進行分析：

a. 閥門前后壓差過大容易造成流體在經過閥門節流件時壓降過大，低于飽和蒸汽壓時形成氣蝕［2，3］，氣泡在閥腔內部爆裂，對閥體和閥內件造成嚴重侵蝕，閥壁變薄、坑坑洼洼，嚴重時甚至打穿閥體，嚴重縮短了閥門的使用壽命。

b. 介質凝液中含氯離子，具有腐蝕性。

c. 介質中含有少量灰分，長期使用，對閥內件密封有損傷。

d. 閥門要求硬密封Ⅴ級以上（長期使用），所以要考慮閥門執行器長時間使用的彈簧力衰減，執行器推力安全系數加大到兩倍以上。

e. 閥門口徑選型不合理，此閥選型閥體尺寸4″，在運行過程中，閥門一直處于小開度工作，加重了對閥內件的沖蝕。

f. 閥體材料選型不合理，在高壓差、高氣蝕和強腐蝕工況下應該選擇抗腐蝕、耐沖刷材料。

針對以上分析的問題，進行相應改造：

a. 重新設計閥門口徑。 原閥口徑4″，但根據工藝參數重新計算閥門的流通能力CV為8， 所以閥體尺寸設計為″，閥芯尺寸設計為1″，正常工況時閥門開度在50%以上， 這樣就能完全滿足工況最佳開度。

b. 重新設計閥門結構。 閥門結構是第一關鍵，原閥門選用單座閥，未設計減壓閥內件（圖1）。 閥內介質流速高、壓差大（5.5 MPa）、含雜質、工況有氣蝕且含Cl-腐蝕，致使原單座閥無法長期使用，氣蝕對內件損傷極大，原閥門未考慮復雜工況的苛刻程度。 改造時，選用了軸流式多級降壓閥內件（8級減壓軸流式閥內件），如圖2所示，逐級降壓，以抵消氣蝕對閥門的破壞作用，適應嚴苛工況。

圖1 原單座調節閥閥體結構示意圖

圖2 軸流式多級降壓閥體結構示意圖

c. 對閥門材料進行升級。 閥門材料是第二關鍵，閥芯和閥座選用碳化鎢材料，閥體選用雙相鋼2205材料。

碳化鎢具有優良的耐沖刷、 耐氣蝕性能，硬度很高，但是容易碎裂，要達到既耐沖刷又耐腐蝕的效果， 生產碳化鎢的配方和工藝很關鍵，例如純的碳化鎢很容易碎裂，但是加入少量鈷或鈦等金屬元素，其韌性就會增強，脆性就會降低。

雙相不銹鋼具有高強度的沖擊韌性和優良的抗腐蝕性能，尤其在抗點腐蝕和晶間腐蝕方面更具優越性，雙相不銹鋼具備相當高的抗腐蝕性能。 雙相不銹鋼是奧氏體不銹鋼抗壓強度的兩倍，所以在設計時可以減輕重量，降低成本。 雙相鋼抗腐蝕表如圖3所示，可以看出，雙相不銹鋼的抗氯離子腐蝕和酸腐蝕性能優異。

圖3 雙相鋼抗腐蝕表

碳化鎢材料的硬度不小于HRC70，具有很好的抗沖刷、抗氣蝕和抗腐蝕作用，而雙相鋼2205閥體則有非常好的抗腐蝕作用，以上材料的完美結合，延長了閥門的使用周期。

3 改造后的效果

閥門結構采用軸流式多級降壓閥內件，很好地消除了氣蝕對閥門的破壞作用，極大地延長了閥門的使用壽命。

閥芯材料升級，采用整體燒結的碳化鎢（硬度HRC70以上），極大地提升了閥內件的抗沖刷、抗腐蝕性能，很好地延長了閥門使用周期。

閥套筒、閥桿和閥體采用雙相鋼2205材料加以升級， 雙相鋼2205具有很強的抗腐蝕性能，完全滿足閥門在此工況下的抗腐蝕要求。

4 結束語

通過對水煤氣分離器液位控制閥在使用過程中出現的故障問題的原因進行深入剖析，從設計選型、工況條件、介質成分等多方面了解問題的本質，從而進行了行之有效的改造，既保證了裝置的安全穩定生產又節約了采購和維修費用，并且在實際使用中實現了很好的效果，為同行業同類型裝置提供良好的解決方案，具有一定的借鑒意義。