煤氣化裝置關(guān)鍵閥門技術(shù)參數(shù)的比選

趙會芝，葉勝利

(東華工程科技股份有限公司，安徽 合肥 230024)

由于煤氣化裝置有高溫、高壓、高磨蝕等特點(diǎn)而且有純氧介質(zhì)，儀表選型存在很多難點(diǎn)，特別是關(guān)鍵閥門的選型更是關(guān)系到氣化裝置能否長期、穩(wěn)定的運(yùn)行。以水煤漿氣化為例，氣化裝置關(guān)鍵閥門有： 氧氣切斷閥、氮?dú)馇袛嚅y、鎖渣閥、煤漿切斷閥等，這些閥門所處工況重要且苛刻，在多項(xiàng)技術(shù)參數(shù)的選擇中需要經(jīng)過慎重比選，如固定球和浮動球、鑄造和鍛造材質(zhì)、硬化方式、動作時間等。

下面從煤氣化裝置關(guān)鍵切斷閥比較論述了幾個重要技術(shù)參數(shù)。

1 固定球球閥和浮動球球閥的比選

氧氣切斷閥、氮?dú)馇袛嚅y、鎖渣閥、煤漿切斷閥等關(guān)鍵切斷閥建議首選球閥，但球閥有浮動球球閥和固定球球閥之分，在煤氣化裝置中兩類球閥都有應(yīng)用，在選用時需根據(jù)工況選擇。

1.1 浮動球球閥

浮動球球閥的球體是浮動的，閥球上開有一個用于安裝閥桿的矩形通槽，在閥門由全開到全關(guān)的過程中，在介質(zhì)壓力作用下，閥球會沿著通槽向低壓側(cè)微小滑動，緊密貼合在下游(低壓側(cè))的閥座上從而實(shí)現(xiàn)密封。該類閥球可以滑動，所以稱之為浮動球閥。浮動球閥結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 固定球球閥

固定球球閥，即閥球固定的閥門。閥球固定在閥體內(nèi)，主要依靠上部閥桿和閥球上部連接、下部支軸和閥球下部連接。固定球閥結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.3 閥門雙向密封

浮動球閥一般只有1個密封閥座，即球后(下游)閥座，關(guān)閉時介質(zhì)將球體推向球后閥座，達(dá)到密封效果；球前(上游)閥座僅僅起到支撐球體的作用。在有雙向密封要求的場合，即球閥關(guān)閉后不僅存在正向壓差的情況，而且存在反向壓差的情況，此時要求球閥具有2個密封閥座，以便在2種工況下都能起到密封效果。對浮動球閥而言，無論是單向單密封閥座還是雙向雙密封閥座，關(guān)閉時起密封作用的始終是下游閥座。

圖1 浮動球閥分解結(jié)構(gòu)示意

圖2 固定球閥分解結(jié)構(gòu)示意

固定球閥的閥球固定，兩側(cè)為2個獨(dú)立的彈性閥座，形成兩道獨(dú)立的密封系統(tǒng)。該密封結(jié)構(gòu)屬雙面強(qiáng)制密封，可以滿足嚴(yán)格的雙向密封要求。

根據(jù)工藝要求，煤氣化裝置中的氧氣切斷閥、氮?dú)馇袛嚅y、鎖渣閥、煤漿切斷閥等關(guān)鍵切斷閥大多數(shù)都需要閥門上游和下游同時滿足雙向嚴(yán)格密封，固定球閥能滿足該工藝要求，而且從目前開車運(yùn)行的煤氣化裝置看，固定球的應(yīng)用效果較好。

1.4 閥門扭矩

由于浮動球閥在介質(zhì)，壓力下的密封是依靠介質(zhì)推動閥球緊密貼合閥座實(shí)現(xiàn)，管道中的壓力全部作用在閥球上，會造成閥球和閥座間較大的摩擦力，閥門開關(guān)的扭矩也會更大，除此之外由于閥球在開關(guān)過程中產(chǎn)生的位移影響到閥桿的對中，閥桿在不同的位置下會產(chǎn)生一定的不平衡力，這些不平衡力會使閥桿在開關(guān)過程中產(chǎn)生一定的傾斜和不對中，可能會進(jìn)一步加大填料和閥桿間的摩擦力，綜合作用下會造成開關(guān)扭矩需求比固定球閥的大。

閥門扭矩大小在一般工況下對閥門影響并不明顯，但對于煤氣化裝置中需要扭矩很大的鎖渣閥等，閥門扭矩大小差異則較明顯，甚至?xí)捎谟嬎闩ぞ靥髮?dǎo)致不選擇氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)，而選擇扭矩更大的其他形式的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，如電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)。扭矩大的執(zhí)行機(jī)構(gòu)不僅影響閥門價格，在安裝空間受限的氣化爐各操作平臺也可能會影響配管和布置方案。

2 閥體鑄造和鍛造的比選

煤氣化裝置的閥門均應(yīng)用在高溫、高壓工況，甚至有溫度和壓力交替變化的工況，在閥門選型時會遇到鑄造閥體、鍛造閥體的選擇問題。

鑄造是將金屬熔煉成符合一定要求的液體并澆進(jìn)鑄型里，經(jīng)冷卻凝固、清整處理后得到有預(yù)定形狀、尺寸和性能的鑄件的工藝過程。

鍛造是利用鍛壓機(jī)械對金屬坯料施加壓力，使其產(chǎn)生塑性變形以獲得具有一定機(jī)械性能、一定形狀和尺寸鍛件的加工方法。

無論是鑄件還是鍛件，在加工時，都有可能產(chǎn)生產(chǎn)品缺陷。鑄件的主要缺陷表現(xiàn)在沙眼，氣泡等；鍛件的主要缺陷表現(xiàn)在大晶粒、冷硬現(xiàn)象、裂紋、龜裂等。為了提升產(chǎn)品質(zhì)量，相對應(yīng)的鑄件需要熱處理消除鑄造過程中的應(yīng)力，同時采用X射線、磁粉探傷、滲透檢查等檢測手段。而對鍛件來說，如果閥體是分開鍛造的，就需要對焊縫采取嚴(yán)格的熱處理和超聲波檢測來保證鍛件的產(chǎn)品質(zhì)量。另外，因鑄造可能會出現(xiàn)缺陷的概率相對鍛造要大一些。

相對來說，同樣的化學(xué)成分，鍛造更致密，韌性和強(qiáng)度都更好。因此，在煤化工中溫度和壓力交替變化的疲勞工況，如鎖渣閥，有用戶會傾向于考慮選擇鍛造閥體，以適應(yīng)鎖渣閥所處的溫度和壓力交替變化的工況。

3 硬化方式的比選

由于煤氣化裝置閥門處于高溫、高壓、磨蝕工況，所以氧氣切斷閥、水煤漿切斷閥、鎖渣閥等切斷閥的閥球和閥座等都需要硬化處理。硬化方式通常有滲氮、堆焊和噴涂。煤氣化裝置中的閥門通常采用堆焊或噴涂的硬化方式。

噴涂工藝和堆焊工藝從本質(zhì)上都是材料表面改性的工藝方法，兩種工藝的本質(zhì)都是將具有一定性能的硬質(zhì)合金材料熔敷在基材的表面，以提高表面的性能。不同點(diǎn)在于堆焊采用的是熔焊的方式，而噴涂采用的是金屬粉末熔融后噴涂到工作表面的方式。

堆焊和噴涂兩種硬化工藝現(xiàn)在并存于煤氣化行業(yè)閥門生產(chǎn)中，各個閥門生產(chǎn)商根據(jù)自己的閥門特點(diǎn)和技術(shù)儲備情況選擇適合于本廠的、應(yīng)用成熟可靠的生產(chǎn)工藝。兩種硬化方式達(dá)到的硬度都可以滿足煤氣化裝置閥門的使用要求。

4 閥門動作時間的比選

煤氣化裝置中的切斷閥，如氧氣切斷閥、氮?dú)馇袛嚅y、煤漿切斷閥、鎖渣閥等根據(jù)工藝安全需要，都有較苛刻的開、關(guān)時間要求，單純從工藝角度來講，可能部分閥門的動作時間越短越好，但從閥門本身來看，動作太快會不利于閥門的使用。

開關(guān)時間越短，閥球和閥座間的摩擦越劇烈，對硬質(zhì)合金的磨損越快，閥門壽命越短。

介質(zhì)摩擦系數(shù)由大到小順序排列為： 干性氣體加固體顆粒大于干性氣體大于液體加固體大于純液體。開關(guān)速度越快，相同摩擦系數(shù)下的密封面磨損越劇烈。

以干性氣體氧氣為例，同樣品質(zhì)的閥門在同等壓力的純干性氣體工況下，開關(guān)速度越快閥門壽命越短，在同樣次數(shù)的操作后發(fā)生硬質(zhì)合金磨損導(dǎo)致內(nèi)漏的風(fēng)險越大，適當(dāng)放慢開關(guān)速度，可以有效地延長閥門使用壽命。在過快開關(guān)速度下，即使物料是潔凈的，也會使閥球和閥座間產(chǎn)生微小劃痕，這點(diǎn)在大口徑氧閥中，如DN200，DN250口徑的表現(xiàn)尤為明顯。國內(nèi)也有不少氧氣球閥在使用一段時間后發(fā)生內(nèi)漏的情況，尤其是開關(guān)時間越短的閥門，發(fā)生內(nèi)漏的情況越多。所以對于氧氣切斷閥，不建議人為將開關(guān)時間縮短，特別是口徑較大時，將開關(guān)時間從3 s調(diào)到2 s或以下，帶來的磨損是成倍增長的。氧氣閥門價格較高，維修也不便，在滿足工藝安全前提下選擇合適的閥門開關(guān)時間有利于降低閥門故障率。

即使對于摩擦系數(shù)較小的液體加固體顆粒特性的渣水，雖然物料具有一定的潤滑性能，減少了閥門開關(guān)的摩擦系數(shù)，但為了實(shí)現(xiàn)自清潔功能，閥座需要有刮刀設(shè)計，加上鎖渣閥口徑較大，在過快的開關(guān)速度下，如果閥球表面有結(jié)垢的情況，刮刀比較容易刮壞閥球密封面，因此鎖渣閥開關(guān)時間也不宜過快。

由此，在滿足工藝安全要求的前提下，不宜盲目提高閥門的動作時間。

5 結(jié)束語

綜上所述，由于固定球在任何工況下均可滿足嚴(yán)密的雙向密封，因此在氧氣切斷閥等關(guān)鍵工況宜首選固定球；在存在溫壓交變的疲勞工況，如鎖渣閥，可首選韌性和強(qiáng)度都更好的鍛造閥體；噴涂和堆焊兩種硬化處理方式均可滿足硬度要求；閥門的開關(guān)動作時間會影響閥門壽命，在滿足工藝安全要求的前提下，不宜盲目提高閥門的動作時間。