煤直接液化高壓切斷閥失效形式分析及優化

呂 昭，賈慧靈

（1.內蒙古科技大學 機械工程學院，內蒙古 包頭 014017；2.國能包頭煤化工有限責任公司，內蒙古 包頭 014060）

0 引言

中國有著豐富的煤炭資源，到1999 年末，累計探明煤儲量為10018 億t，煤儲量占已探明的各種能源（煤炭、石油、天然氣及水電）總儲量的90%。充分利用儲量豐富的煤炭資源，大力開發替代石油的技術，多元化降低能源風險，及早考慮能源的多樣化是普遍共識[1]。煤液化是一種針對我國“富煤貧油少氣”的能源結構，有效解決能源利用效率低、污染嚴重的新型技術。煤直接液化是在高溫、高壓條件下通過加氫使煤中復雜的有機高分子結構直接轉化為分子結構較低的液體燃料，其有熱效率高、液體產品收率高的特點。世界首套百萬噸級煤直接液化示范工程中的輸運系統（閥門、管線、泵等設備）在含固多相流的沖蝕磨損下經受著嚴重的考驗。輸運系統的“安、穩、長、滿、優”運行，是確保企業安全生產、取得最高效益的有力保障。

1 煤液化工藝及閥門狀態

煤直接液化（以下簡稱煤液化）工藝流程（詳見圖1 流程示意圖）中，柱塞式切斷閥103-UV2404A/B/C/D 分四路先后安裝于煤液化熱高壓分離器底部，用于切斷隔離高壓系統，閥門的性能直接影響裝置的安全生產，是整個項目的核心關鍵閥門。由于煤液化裝置工藝流程復雜，生產連續性強，柱塞長期處于高溫、高壓、臨氫及含固的苛刻工況下，固態物料在閥流道內沉積、磨損和沖刷，造成閥門密封困難，導致閥芯、閥座、套筒產生磨損。這些閥內件的磨損失效問題，直接影響閥門的密封性能和殼體承壓邊界的可靠性，縮短了閥門的使用壽命，嚴重制約著裝置的本質安全。

圖1 神華煤直接液化工藝流程示意圖

2 柱塞式切斷閥的失效機理及影響因素分析

2.1 柱塞閥失效機理

2.1.1 氣蝕和閃蒸

液體介質（P1）在閥芯處節流時，由于靜壓（P2）降低到液體的飽和蒸氣壓（PV）以下而使液體發生汽化的現象稱為空化，介質流經閥座后，如果靜壓（P2）恢復到大于液體的飽和蒸氣壓（PV）時，原先空化的蒸氣又恢復成液體狀態，氣泡破裂會釋放巨大的能量[3]，會引起噪音、振動，導致閥內件破壞，這一現象稱為氣蝕。如果靜壓（P2）不能恢復到液體的飽和蒸氣壓（PV），則流出的氣-液混合物，將對閥門出口側產生嚴重的沖刷和噪音，這一現象稱為閃蒸。

根據氣蝕和閃蒸的定義，調節閥中發生氣蝕和閃蒸需滿足如下條件：

（1）氣蝕條件

①閥門入口和出口的介質必須全都是液體，即調節閥的安裝位置的管道上下游附近沒有蒸氣存在；

②閥門入口介質必須是一種過冷狀態；

③閥門出口壓力必須是液體蒸氣壓或者是高于液體蒸氣壓。

（2）閃蒸條件

①閥門入口介質必須全都是液體，且在出口端必定存在若干蒸氣；

②閥門入口流體可以是飽和的或是過冷狀態；

③閥門出口壓力必須等于或低于液體的蒸氣壓。

由于氣蝕和閃蒸都會使得閥門出現極強的破壞并對閥內件造成損壞，其兩者產生的結果都將降低閥門壓力降轉變為質量流量的能力，影響閥門流量的調節。但兩者在損壞表征形式和機理上有所差異，一般氣蝕損壞具有煤渣似的粗糙外形的特點。

2.1.2 磨損

按磨損的形式不同，可分為顆粒磨損、氣蝕磨損、腐蝕磨損、沖擊磨損。

（1）顆粒磨損：比閥內件硬的顆粒物夾帶在高速流體中沖擊并沖刷閥內件的金屬，導致閥芯、閥座結合面在啟閉中出現的嚴重磨損。

（2）氣蝕磨損：高速的帶壓流體在節流后壓力降至該液體的飽和蒸氣時，將在壁面附近形成氣泡。當氣泡流動到液體壓力超過氣泡壓力處，氣泡破裂瞬間產生巨大沖擊力，閥內件在這種反復沖擊力的作用下，表面發生材料疲勞脫落，閥內件表面出現小凹坑。

（3）腐蝕磨損：材料表面與周圍介質發生化學或電化學反應而生成各種反應生成物，在此過程中，表層材料被不斷帶走和脫落，最終造成的磨損。

（4）沖擊磨損：因高速流體的噴射，引起局部材料表面損失或剝落的現象。

2.1.3 疲勞損壞

疲勞損壞在零部件的失效形式中相當普遍，根據損壞機制不同，疲勞損壞可分為疲勞磨損和整體疲勞破壞兩類。

疲勞磨損通常是指接觸疲勞磨損，主要是由于零部件承受交變的周期性接觸載荷或者承受交變應力而產生的。

整體疲勞損壞則是結構件在受外力作用過程中，由于外界作用力過大或循環次數過多，超過了自身的強度極限或疲勞強度極限而發生整體塑性變形或疲勞斷裂的情況。

熱高分下原高溫高壓柱塞式由德國SCHUF 廠家制造，閥門經過10 多年的使用，存在閥內件嚴重磨損、內漏、閥體材質劣化、應力腐蝕開裂和承壓邊界薄弱等問題，已對煤液化裝置的平穩運行產生威脅（圖2）。

圖2 柱塞閥閥體蛛網狀裂紋及內件磨損

3 設計工況下應力場數值分析

對柱塞式切斷閥的應力場進行計算，首先將溫度場中的模型，導入應力場中，對于其設置應力場的相關約束和邊界條件。其次對其應力場進行計算，圖3（a）為設計工況下閥門的應力場云圖，由內壓產生的最大應力為359.5 MPa，大于材料的許用應力值。因此需要進行應力線性化確認閥門最大應力處的應力強度是否滿足要求。線性化路徑如圖3（b）所示。

圖3 線性化數據圖

應力場計算結果判斷準則應滿足：Pm≤Smt；PL+Pb≤KSm；PL+Pb/Kt≤St。通過查詢ASME III D5-2017 查得482 ℃下Smt為107 MPa，Sm值為107 MPa，St值為141 MPa。評定結果結果顯示閥門的閥芯打開部分應力強度不滿足設計要求。

考慮到上文設計中的應力場結構計算存在問題，且由于晶體結構粗大松散。故對其閥體的材料進行更換為A182 F347 鍛造材質，并對前期設計的閥體按照更換后材料的強度進行理論校核，其結果表明設計閥體能夠滿足設計要求，并且遠小于許用應力值。

4 柱塞式切斷閥材料表面硬化研究

根據文獻資料[7]闡述，較硬的材料經受足夠時間的氣蝕作用后，材料仍未出現明顯損傷現象，而普通較軟的材質，在經受氣蝕作用幾秒內就會出現微觀的凹痕，據此針對柱塞式切斷閥的內件材料選擇時，應選擇高硬度材料以此延長耐氣蝕和耐磨時間。但根據之前柱塞式切斷閥的歷次檢修情況來看，即使閥座、閥芯全部采用了高硬度材料的WC 硬質合金，閥門使用壽命仍為一般，因此本次優化設計時綜合考慮制造成本與實際的可操作性，采用先進的表面硬化工藝提高零件表面耐氣蝕和耐磨損能力，最終達到延長調節閥使用壽命的目的。針對柱塞式切斷閥的特殊工況，為解決閥門耐磨損、耐沖蝕等問題，可采用火焰重熔、激光熔覆、超音速火焰噴涂等工藝手段，達到材料表面硬化的目的。

4.1 火焰重熔

火焰重熔是工件在預熱的基礎上將自熔性合金粉末均勻噴涂在工件表面然后利用氧-乙炔焰產生的熱量（800 ℃～ 1200 ℃）使合金粉末與工件母材相互熔敷，相互擴散，相互滲透而形成一種組織結構致密，牢固的冶金結合層。通過火焰重熔消除了噴涂層中氣孔和氧化物夾渣，并與金屬基體產生冶金結合，從而大幅度提高致密性和結合強度，使硬化層有更優的耐磨損和抗沖擊性能[5]。

試驗采用火焰重熔工藝，試驗選取4 種基材試塊各1 件，試塊規格為75 mm × 50 mm × 10 mm（長×寬×厚），試塊重熔用粉末為鎳含量未64.88%、鎢含量未4.98%的鎳基碳化鎢（Ni-WC）。檢測結果見表1。

表1 火焰重熔硬化檢測結果

4.2 激光熔覆

激光熔覆是用高能量密度的激光束將合金粉末涂層與工件表面一薄層同時熔化，并快速凝固后形成稀釋度極低并與基體材料成冶金結合的表面涂層，從而顯著改善基體材料表面的耐磨損、耐腐蝕性能。按粉末的添加方式不同，激光熔覆的工藝可分為粉末預置法和同步送粉法兩種，其兩者的區別在于粉末預置法是將粉末通過噴涂或粘結的方法預置于基體表面再經激光束輻射進行重熔，而同步送粉法是將粉末直接噴在激光輻射所形成的移動熔池上，涂層一次性成型[4]。

試驗采用激光熔覆工藝，試驗選取4 種基材試塊各1 件，試塊規格為75 mm × 50 mm ×10 mm（長×寬×厚），試塊重熔用粉末為鎳含量未61.15%、鎢含量未8.1%的鎳基碳化鎢（Ni-WC）。硬化結果見表2。

表2 激光熔覆硬化檢測結果

4.3 超音速火焰噴涂

超音速火焰噴涂是利用可燃氣（如氫氣、丙烷或丙烯）或液體燃料（如航空煤油）等與氧氣混合，在燃燒室點燃，劇烈膨脹的氣體受噴嘴的約束形成超音速高溫火焰流（焰流速度2～ 5 馬赫），粉末沿燃燒室軸心由惰性氣體（如氮氣）送入，受到加熱與加速后噴出至工件表面[6]。由動量定理可知，粒子速度越快，動量越大，沉積時的沖量越大；粒子速度越快，粒子對基體的撞擊作用越強，粒子變形越充分，基體與顆粒之間的連接就緊密，故超音速噴涂質量取決于設備的噴涂速度。超音速火焰噴涂可分為超音速氧氣火焰噴涂（HVOF）和超音速空氣火焰噴涂（HVAF）兩種，其兩者的區別在與助燃氣體的不同，前者為純氧，后者為壓縮空氣[7]。

試驗采用超音速氧氣火焰噴涂工藝，見表3。試驗選取4 種基材試塊各2 件，試塊規格為75 mm ×50 mm × 10 mm（長×寬×厚），試塊重熔用粉末為鎢含量80.72%、鉻含量未4%的碳化鎢（WC-10Co-4Cr）。

表3 超音速噴涂工藝試驗

4.4 硬化結果分析

從3 組試驗比較發現，可以得出如下結果：

（1）對比代號1A、1B、1C、1D 得出，對于基材為F6a CL2（馬氏體不銹鋼），采用火焰重熔和激光熔覆會導致硬化層開裂。當采用F6a CL2 作為閥門密封面材料時，應盡量采用超音速噴涂硬化工藝。

（2）對比3 種硬化方式得出，超音速火焰噴涂對基材材質可不做要求，而火焰重熔、激光熔覆則對基材材質有要求。當要求涂層結合方式為冶金結合時，選用閥門密封面材料必須要考慮基材能否進行火焰重熔或激光熔覆。

5 切斷閥基材和硬化方式選擇

5.1 閥座基材和硬化方式的選擇

從改進方案的數值模擬結果可知，閥座第二級密封面及下游喇叭口區域處存在氣蝕、閃蒸和嚴重的磨損問題，故閥座材料的選擇需重點考慮其硬度，目前已知WC 燒結技術是制備高硬度零件主要方式方法，故閥座的制備亦可采用此技術方法。改進方案中閥座結構簡單，可實現燒結和后續加工成型，其通過燒結制備的WC 閥座硬度可達莫氏硬度九級，其硬度僅次于金剛石。

5.2 閥芯基材和硬化方式的選擇

從改進方案的數值模擬結果可知，閥芯第二級密封面及閥芯小頭區域存在氣蝕和磨損問題，但由于閥芯為運動部件在介質的作用力下易發生抖動，若同樣采用燒結工藝制備閥芯的話，則閥芯容易發生脆斷失效。柱塞式切斷閥的主體材質為奧氏體不銹鋼347 材質，其具有良好的耐高溫和耐腐蝕性能，且其機械性能優良，故可選用奧氏體不銹鋼347 材質作為閥芯的基材，再通過激光熔覆工藝對其密封面和閥芯小頭區域進行熔覆Ni-WC 粉末，以提高其抗氣蝕和抗磨損能力。

5.3 襯套基材和硬化方式的選擇

從改進方案的數值模擬結果可知，襯套區域壁面存在氣蝕和磨損情況，若仍采用奧氏體不銹鋼347材質作為襯套的話，則由于奧氏體鋼的硬度值低，容易被氣蝕和磨損。為延長襯套使用壽命，同樣可采用激光熔覆工藝對其襯套內壁面進行硬化處理。

6 總結

在對柱塞式切斷閥運動副高溫過程中的間隙理論進行分析，使用有限元軟件得到間隙增加了0.20178 mm，表明了理論與仿真結果一致。根據上述分析結果，將柱塞閥運動副整體的公差由原來的0.1 mm提高至0.4 mm，動作卡澀和導向桿拉傷的問題得到明顯改善。同時針對柱塞式切斷閥的氣蝕和磨損問題，提出通過優化材料，提高零件表面硬度的方式增強材料的抗氣蝕和抗磨損能力。通過激光熔覆、火焰重熔、超音速噴涂三種硬化工藝的對比試驗，找到最佳的表面硬化的工藝方法，保障了閥門的密封性，為最終實現延長柱塞式切斷閥的使用壽命提供理論依據。