水煤漿加壓氣化裝置用鎖渣閥的研制
作者： 2015年10月20日 來源：互聯網 瀏覽量：
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通常介質為含固態礦渣和灰分的高溫渣水，不但對閥體的流道具有較大的沖蝕，對閥門的球體及閥座等動部件及密封面沖蝕和磨蝕更大，介質易粘結，要求閥門內件必須經過高技術的硬化處理使閥門具有較高的耐磨性能。
介紹了水煤漿加壓氣化裝置用鎖渣閥的結構及性能特點,分析了在設計過程中所遇到的技術難點及相關解決方案,闡述了密封面材料配對形式的選擇及機加工工藝的特殊要求。
一、概述
隨著國內煤化工產業的不斷升溫,水煤漿、多元料漿(以下統稱水煤漿)氣流床加壓氣化制取水煤氣的生產工藝被大量采用。水煤漿氣化工藝是在1 350℃、40MPa以上的高溫、高壓條件下,使水煤漿和氧氣進行氧化還原反應,使煤部分變成煤氣。煤氣經過激冷水浴、洗滌、除塵制成水蒸汽飽和的合成氣送出，而煤中部分未燃盡的碳和不可燃的灰分在高溫下形成熔渣經水冷卻和破渣機破碎，通過鎖斗定期排入渣池。整個生產過程不僅存在高溫、高壓、易燃、易爆的氣體介質和固體顆粒介質，還要求整個排渣集渣過程服從程序控制。在鎖斗過程中，閥門用于具有高溫、高壓和高磨蝕等特點的集渣和排渣循環過程，開關頻率高且在高壓條件下具有嚴密密封性。因此，鎖渣閥必須具有完善的結構設計、合理的材料配置、良好的制造工藝和設備、先進的表面處理技術和免維護的高輸出力矩的執行機構，以確保其安全、快速、連續不間斷地長壽命工作，用于控制氣化爐的排渣程序，由于位置關鍵，技術要求高，造價也非常高。
二、工況特點及技術難點
1、工況特點
通常介質為含固態礦渣和灰分的高溫渣水，不但對閥體的流道具有較大的沖蝕，對閥門的球體及閥座等動部件及密封面沖蝕和磨蝕更大，介質易粘結，要求閥門內件必須經過高技術的硬化處理使閥門具有較高的耐磨性能。除了考慮硬化材質硬度外，更重要的是硬化工藝，以達到除了硬度指數以外，其它指數也同樣重要，如：厚度;與基材結合力度;在溫度驟變工況的硬度值及結合力;局部超大壓力因素;局部大顆粒因素。在正常生產中開關次數要求頻繁，高壓到低壓，高溫到低溫的交替變化較大，要求閥門除標準產品具有的非常好的使用壽命和較高的密封等級外，更要考慮完全滿足嚴酷工況的設計和制造，檢測工藝。在整個循環過程中運行的工藝介質一般為占20%固體顆粒的渣水混合物，混合物中固體顆粒最大的粒度可達50mm。
工況系統高壓力所形成的高速流體對閥門內件，如閥座、閥桿和關閉件等造成極大沖擊，極易對內件表面快速沖蝕，使內件損壞。
渣水混合物中具有無數大大小小的硬質顆粒摻雜在高速流體中流動，對閥門內件撞擊并沖刷，使閥桿與軸孔、閥座與關閉件接觸表面間產生嚴重摩擦，從而發生劇烈磨損，使閥門打不開或關不嚴。
渣水混合物本身具有一定的腐蝕性，容易腐蝕被固體顆粒介質沖擊破壞而暴露的新鮮表面，從而使閥門加速損壞。
渣水混合物的灰渣極易沉積并粘附在關閉件表面，微小的灰渣甚至會侵入閥座組件的內部，造成閥座活動實效，使閥門泄露甚至無法使用。
鎖渣閥的口徑一般較大，在高壓力流體介質的作用下，對閥門密封面將形成較大的密封比壓。同時閥門在高壓狀態下開啟，而固體顆粒介質的摩擦阻力較大，容易造成閥門卡阻現象，因而閥門實際開啟力矩遠遠大于一般流體介質在相同壓力下的力矩。
2、主要的技術難點
相對普通的硬密封球閥來說，水煤漿氣化裝置用鎖渣閥要適用于高溫、高壓、強沖蝕、強腐蝕等工況條件，還要承受頻繁開關的惡劣工況，在設計和制造中存在不少技術難點。
a、鎖渣閥開關頻繁，每半小時開關一次，極易造成密封表面的磨損。
b、水煤漿加壓氣化裝置用鎖渣閥采用金屬材料為密封面，需要較高的密封比壓，因此如何從設計上保證適當的密封比壓，提高零件的形位公差以及提高表面光潔度要求是十分重要的。
c、密封副表面硬度要求高，煤粉顆粒的硬度較高，此工況下在閥門關閉狀態時要求球體和閥座表面硬度層有較高的硬度，否則煤漿顆粒附在球體表面上，從而破壞球體表面，以至于影響到閥門的整體密封性能。
d、由于介質中含有大量灰渣，易導致彈簧卡死，因此對彈簧要求較高，在結構上也得充分考慮。
e、自潔功能。在閥門的啟閉過程總，由于煤漿的吸附性較強極易粘在球體表面上，介質顆粒被帶到閥座與球體的密封面之間，破壞了球體與閥座之間的密封副，從而影響閥門的密封性能，使用壽命大大縮短。這要求閥門具有較好的自潔功能，以保證球體和閥座密封副不被破壞。
三、解決方案
根據以上技術難點，要研制出相應水煤漿氣化裝置用鎖渣閥，就須有切合實際的可行性解決方案：
1、采用對中兩體式設計，球、桿一體式且防吹出結構設計。閥桿與閥球采用一體式連接，下部支架與閥球為一體鍛造而成，對閥球起到支撐作用，同時克服上游介質的壓力。球桿采用一體式設計，即保證了球體的對中性，又避免了頻繁開關后球體與閥桿脫離現象。加粗閥桿設計，并且結構上確保閥桿只承受閥門啟閉扭矩，介質的推力由支承座和下軸承擔，使閥桿的受力情況大大改善，確保閥桿能夠長期可靠地工作，以避免頻繁開關帶來的閥門使用壽命大大縮短。
2、閥座碟形彈簧補償結構，由于采用硬質合金等材料作為密封面，所需的密封比壓較高。采用高強度、耐沖蝕金屬密封球閥中采用“彈簧+閥座”的組合閥座結構形式，通過高負載彈簧提供一個近30kg/cm2初始預緊比壓，即能滿足低壓情況下的密封性能，又能提供一個較高的密封剪切力，使閥座與球體始終緊貼在一起，這樣在球閥開啟關閉的過程中閥座對球體起到清潔作用。
3、密封副配對材料
通過多種密封副材料的配對比較，通常有下列幾種方法：
a、球體表面滲氮(硬度≥800HV)與閥座密封面噴焊鎳基WC(硬度≥65HRC);
b、球體表面與閥座密封面同時噴焊鎳基WC(硬度≥65HRC);
c、球體表面噴焊鎳基WC(硬度≥65HRC)與閥座密封面堆焊STL(硬度≥55HRC)。
通過分析對比：
a中球體密封面滲氮厚度和硬度方面可能很難滿足此類型的工況條件，同時滲氮后會影響基體材料的機械綜合性能;
b中球體表面與閥座密封面它們的硬度和強度都比較理想，但它們之間的抗咬性能可能相對較差;
c中密封面材料配對在硬度和強度等方面相對a、b較為理想。
材料加工工藝
由于球體密封噴焊鎳基WC/鈷基硬度極高(≥65HRC)，普通刀具無法加工，可能需要選擇采用了立方氮化硼(PCBN)刀具加工、金剛石砂輪磨削。而且加工機床要有足夠好的剛性強度，這樣才可以提高機加工、磨削效率，同時保證零件的加工精度。特殊的硬度處理工藝，采用了金屬重熔技術將鎳基硬質合金可靠的與球體，閥座基體表面重新熔合在一起，有效的防止了硬質合金層的剝落、脫離。
4、閥座后面采用碟形暗黃加載，減少了圓柱形壓縮彈簧容易受到微小灰渣的影響，而且在碟形彈簧兩側采用壓環進行保護，防止雜質及臟物進入到碟形彈簧腔體，有效防止碟形彈簧的失效。同時閥座與閥體結合處的通道加有保護套，進一步有效防止雜質進入閥座后面的彈簧腔體，確保碟形彈簧長期有效工作。
5、閥座自刮削式設計。閥座采用硬質合金寬帶帶自刮削結構，閥門動作時，能刮擦沾粘在閥球上的顆粒介質，壁面異物刮傷密封面，對閥球表面實現自清洗，防止灰渣堵塞在密封面上。因此，使閥門在開關的同時實現密封面自清潔，確保閥門動作順暢連續，不卡阻。
6、氣動執行結構在現場提供的正常氣源壓力下的輸出力矩保證為閥門在最大壓差下操作扭矩的1.5倍以上，且其傳動鏈的設計扭矩至少為閥門最大扭矩的2倍以上，使閥門在一般超壓的情況下仍能保持穩定的啟閉動作。
材料選擇及硬化處理方式
由于鎖斗系統的工藝介質具有高溫、高壓和高磨蝕等特點，同時渣水混合物具有一定的應力腐蝕傾向。因此要求閥門材料應耐腐蝕、耐沖刷、高強度，并應對球體、閥座等密封件進行適當的表面硬化處理，以達到較高硬度和高耐磨性。
1、閥體為ASME A216 WCB，球體和閥座采用雙相不銹鋼F51。
2、由于進出口端閥門通道容易受到高速流體的沖刷，因此安裝可更換耐磨410襯套，以避免快速磨蝕，可有效耐受煤氣化熱爐渣的沖蝕和磨蝕和腐蝕。
3、閥桿、下軸出了承受扭轉強度或介質壓力外，還不可避免地受到介質中固體顆粒的磨蝕，因此采用雙相不銹鋼F51。
4、鎖渣閥開關頻繁，閥座和球體表面最容易受到沖刷和磨蝕。球體和閥座密封面表面硬度不能低于55HRC。同時還應保證硬化層應有一定的厚度且不能脫落。在F51基材上進行硬化處理，閥座密封面堆焊鈷基合金(Co119)，加工后處合金層厚度不小于2mm，表面硬度≥55HRC。球體表面噴涂鎳基碳化鎢(WC)合金，噴焊層加工厚度不小于0.3mm，表面硬度為≥62HRC，球體橢圓不大于3絲，經研磨、配研后，表面光潔度達到了Ra0.2mm。
5、由于鎖渣閥要求在高壓下確保嚴密密封，因而球體和閥座應采用自動研磨機進行配對研磨以達到球體高的圓度、密封面的高吻合度和提高生產效率。
6、密封材料采用柔性石墨、金屬纏繞片等，等用于高溫、高壓工況，并具耐火功能。
一、概述
隨著國內煤化工產業的不斷升溫,水煤漿、多元料漿(以下統稱水煤漿)氣流床加壓氣化制取水煤氣的生產工藝被大量采用。水煤漿氣化工藝是在1 350℃、40MPa以上的高溫、高壓條件下,使水煤漿和氧氣進行氧化還原反應,使煤部分變成煤氣。煤氣經過激冷水浴、洗滌、除塵制成水蒸汽飽和的合成氣送出，而煤中部分未燃盡的碳和不可燃的灰分在高溫下形成熔渣經水冷卻和破渣機破碎，通過鎖斗定期排入渣池。整個生產過程不僅存在高溫、高壓、易燃、易爆的氣體介質和固體顆粒介質，還要求整個排渣集渣過程服從程序控制。在鎖斗過程中，閥門用于具有高溫、高壓和高磨蝕等特點的集渣和排渣循環過程，開關頻率高且在高壓條件下具有嚴密密封性。因此，鎖渣閥必須具有完善的結構設計、合理的材料配置、良好的制造工藝和設備、先進的表面處理技術和免維護的高輸出力矩的執行機構，以確保其安全、快速、連續不間斷地長壽命工作，用于控制氣化爐的排渣程序，由于位置關鍵，技術要求高，造價也非常高。
二、工況特點及技術難點
1、工況特點
通常介質為含固態礦渣和灰分的高溫渣水，不但對閥體的流道具有較大的沖蝕，對閥門的球體及閥座等動部件及密封面沖蝕和磨蝕更大，介質易粘結，要求閥門內件必須經過高技術的硬化處理使閥門具有較高的耐磨性能。除了考慮硬化材質硬度外，更重要的是硬化工藝，以達到除了硬度指數以外，其它指數也同樣重要，如：厚度;與基材結合力度;在溫度驟變工況的硬度值及結合力;局部超大壓力因素;局部大顆粒因素。在正常生產中開關次數要求頻繁，高壓到低壓，高溫到低溫的交替變化較大，要求閥門除標準產品具有的非常好的使用壽命和較高的密封等級外，更要考慮完全滿足嚴酷工況的設計和制造，檢測工藝。在整個循環過程中運行的工藝介質一般為占20%固體顆粒的渣水混合物，混合物中固體顆粒最大的粒度可達50mm。
工況系統高壓力所形成的高速流體對閥門內件，如閥座、閥桿和關閉件等造成極大沖擊，極易對內件表面快速沖蝕，使內件損壞。
渣水混合物中具有無數大大小小的硬質顆粒摻雜在高速流體中流動，對閥門內件撞擊并沖刷，使閥桿與軸孔、閥座與關閉件接觸表面間產生嚴重摩擦，從而發生劇烈磨損，使閥門打不開或關不嚴。
渣水混合物本身具有一定的腐蝕性，容易腐蝕被固體顆粒介質沖擊破壞而暴露的新鮮表面，從而使閥門加速損壞。
渣水混合物的灰渣極易沉積并粘附在關閉件表面，微小的灰渣甚至會侵入閥座組件的內部，造成閥座活動實效，使閥門泄露甚至無法使用。
鎖渣閥的口徑一般較大，在高壓力流體介質的作用下，對閥門密封面將形成較大的密封比壓。同時閥門在高壓狀態下開啟，而固體顆粒介質的摩擦阻力較大，容易造成閥門卡阻現象，因而閥門實際開啟力矩遠遠大于一般流體介質在相同壓力下的力矩。
2、主要的技術難點
相對普通的硬密封球閥來說，水煤漿氣化裝置用鎖渣閥要適用于高溫、高壓、強沖蝕、強腐蝕等工況條件，還要承受頻繁開關的惡劣工況，在設計和制造中存在不少技術難點。
a、鎖渣閥開關頻繁，每半小時開關一次，極易造成密封表面的磨損。
b、水煤漿加壓氣化裝置用鎖渣閥采用金屬材料為密封面，需要較高的密封比壓，因此如何從設計上保證適當的密封比壓，提高零件的形位公差以及提高表面光潔度要求是十分重要的。
c、密封副表面硬度要求高，煤粉顆粒的硬度較高，此工況下在閥門關閉狀態時要求球體和閥座表面硬度層有較高的硬度，否則煤漿顆粒附在球體表面上，從而破壞球體表面，以至于影響到閥門的整體密封性能。
d、由于介質中含有大量灰渣，易導致彈簧卡死，因此對彈簧要求較高，在結構上也得充分考慮。
e、自潔功能。在閥門的啟閉過程總，由于煤漿的吸附性較強極易粘在球體表面上，介質顆粒被帶到閥座與球體的密封面之間，破壞了球體與閥座之間的密封副，從而影響閥門的密封性能，使用壽命大大縮短。這要求閥門具有較好的自潔功能，以保證球體和閥座密封副不被破壞。
三、解決方案
根據以上技術難點，要研制出相應水煤漿氣化裝置用鎖渣閥，就須有切合實際的可行性解決方案：
1、采用對中兩體式設計，球、桿一體式且防吹出結構設計。閥桿與閥球采用一體式連接，下部支架與閥球為一體鍛造而成，對閥球起到支撐作用，同時克服上游介質的壓力。球桿采用一體式設計，即保證了球體的對中性，又避免了頻繁開關后球體與閥桿脫離現象。加粗閥桿設計，并且結構上確保閥桿只承受閥門啟閉扭矩，介質的推力由支承座和下軸承擔，使閥桿的受力情況大大改善，確保閥桿能夠長期可靠地工作，以避免頻繁開關帶來的閥門使用壽命大大縮短。
2、閥座碟形彈簧補償結構，由于采用硬質合金等材料作為密封面，所需的密封比壓較高。采用高強度、耐沖蝕金屬密封球閥中采用“彈簧+閥座”的組合閥座結構形式，通過高負載彈簧提供一個近30kg/cm2初始預緊比壓，即能滿足低壓情況下的密封性能，又能提供一個較高的密封剪切力，使閥座與球體始終緊貼在一起，這樣在球閥開啟關閉的過程中閥座對球體起到清潔作用。
3、密封副配對材料
通過多種密封副材料的配對比較，通常有下列幾種方法：
a、球體表面滲氮(硬度≥800HV)與閥座密封面噴焊鎳基WC(硬度≥65HRC);
b、球體表面與閥座密封面同時噴焊鎳基WC(硬度≥65HRC);
c、球體表面噴焊鎳基WC(硬度≥65HRC)與閥座密封面堆焊STL(硬度≥55HRC)。
通過分析對比：
a中球體密封面滲氮厚度和硬度方面可能很難滿足此類型的工況條件，同時滲氮后會影響基體材料的機械綜合性能;
b中球體表面與閥座密封面它們的硬度和強度都比較理想，但它們之間的抗咬性能可能相對較差;
c中密封面材料配對在硬度和強度等方面相對a、b較為理想。
材料加工工藝
由于球體密封噴焊鎳基WC/鈷基硬度極高(≥65HRC)，普通刀具無法加工，可能需要選擇采用了立方氮化硼(PCBN)刀具加工、金剛石砂輪磨削。而且加工機床要有足夠好的剛性強度，這樣才可以提高機加工、磨削效率，同時保證零件的加工精度。特殊的硬度處理工藝，采用了金屬重熔技術將鎳基硬質合金可靠的與球體，閥座基體表面重新熔合在一起，有效的防止了硬質合金層的剝落、脫離。
4、閥座后面采用碟形暗黃加載，減少了圓柱形壓縮彈簧容易受到微小灰渣的影響，而且在碟形彈簧兩側采用壓環進行保護，防止雜質及臟物進入到碟形彈簧腔體，有效防止碟形彈簧的失效。同時閥座與閥體結合處的通道加有保護套，進一步有效防止雜質進入閥座后面的彈簧腔體，確保碟形彈簧長期有效工作。
5、閥座自刮削式設計。閥座采用硬質合金寬帶帶自刮削結構，閥門動作時，能刮擦沾粘在閥球上的顆粒介質，壁面異物刮傷密封面，對閥球表面實現自清洗，防止灰渣堵塞在密封面上。因此，使閥門在開關的同時實現密封面自清潔，確保閥門動作順暢連續，不卡阻。
6、氣動執行結構在現場提供的正常氣源壓力下的輸出力矩保證為閥門在最大壓差下操作扭矩的1.5倍以上，且其傳動鏈的設計扭矩至少為閥門最大扭矩的2倍以上，使閥門在一般超壓的情況下仍能保持穩定的啟閉動作。
材料選擇及硬化處理方式
由于鎖斗系統的工藝介質具有高溫、高壓和高磨蝕等特點，同時渣水混合物具有一定的應力腐蝕傾向。因此要求閥門材料應耐腐蝕、耐沖刷、高強度，并應對球體、閥座等密封件進行適當的表面硬化處理，以達到較高硬度和高耐磨性。
1、閥體為ASME A216 WCB，球體和閥座采用雙相不銹鋼F51。
2、由于進出口端閥門通道容易受到高速流體的沖刷，因此安裝可更換耐磨410襯套，以避免快速磨蝕，可有效耐受煤氣化熱爐渣的沖蝕和磨蝕和腐蝕。
3、閥桿、下軸出了承受扭轉強度或介質壓力外，還不可避免地受到介質中固體顆粒的磨蝕，因此采用雙相不銹鋼F51。
4、鎖渣閥開關頻繁，閥座和球體表面最容易受到沖刷和磨蝕。球體和閥座密封面表面硬度不能低于55HRC。同時還應保證硬化層應有一定的厚度且不能脫落。在F51基材上進行硬化處理，閥座密封面堆焊鈷基合金(Co119)，加工后處合金層厚度不小于2mm，表面硬度≥55HRC。球體表面噴涂鎳基碳化鎢(WC)合金，噴焊層加工厚度不小于0.3mm，表面硬度為≥62HRC，球體橢圓不大于3絲，經研磨、配研后，表面光潔度達到了Ra0.2mm。
5、由于鎖渣閥要求在高壓下確保嚴密密封，因而球體和閥座應采用自動研磨機進行配對研磨以達到球體高的圓度、密封面的高吻合度和提高生產效率。
6、密封材料采用柔性石墨、金屬纏繞片等，等用于高溫、高壓工況，并具耐火功能。
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