一種應(yīng)用于水煤氣分離器液位控制的軸流式多級(jí)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(zé)任公司；2.天華化工機(jī)械及自動(dòng)化研究設(shè)計(jì)院有限公司）

某煤制烯烴生產(chǎn)廠的氣化裝置采用德士古氣化爐水煤漿加壓氣化技術(shù)，該氣化爐只設(shè)計(jì)有一個(gè)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(shí)經(jīng)過此燒嘴進(jìn)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(yīng)，燃燒反應(yīng)產(chǎn)生的合成氣主要以CO和H2為主，合成氣經(jīng)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(jìn)入洗滌塔，洗滌掉大部分灰分和部分水溶性氣體，最后進(jìn)入水煤氣分離器，氣體折流向上，在水煤氣分離器內(nèi)部進(jìn)行旋風(fēng)分離，旋風(fēng)分離的目的是清除合成氣中攜帶的灰分和液滴；經(jīng)過水煤氣分離器清除掉灰分和液滴的合成氣，再由設(shè)有瓷球過濾床層的過濾器過濾掉細(xì)灰后送往變換系統(tǒng)。

水煤氣分離器的作用是通過頂部設(shè)置的旋風(fēng)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(huì)導(dǎo)致合成氣帶水嚴(yán)重，對(duì)后續(xù)變換爐觸媒催化劑的活性造成很大影響，導(dǎo)致變換爐床層溫度波動(dòng)甚至停車，分離后的灰水通過水煤氣分離器液位控制閥進(jìn)入后續(xù)高壓閃蒸水處理系統(tǒng)。 水煤氣分離器液位控制閥的運(yùn)行環(huán)境是含灰分顆粒物的高壓冷凝液，操作溫度241 ℃，操作關(guān)閉壓差7.15 MPa，該閥原設(shè)計(jì)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(yùn)行過程中存在的問題進(jìn)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(yùn)行過程中故障率極高，使用周期短（一般約一個(gè)月），主要故障表現(xiàn)為閥芯和閥座沖蝕嚴(yán)重、內(nèi)漏大以及閥體穿孔泄漏。

分析液位控制閥發(fā)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(yán)重。

b. 閥門口徑選型不合理， 此閥閥體尺寸4″，在運(yùn)行過程中，閥門一直處于小開度工作，加重了對(duì)閥內(nèi)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(qiáng)腐蝕性工況下，閥體應(yīng)該選擇硬度更高的材料。

2 技術(shù)方案

筆者針對(duì)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(yán)重、內(nèi)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(duì)控制閥運(yùn)行實(shí)際工況的深入分析，確定對(duì)水煤氣分離器液位控制閥從閥體結(jié)構(gòu)［1］、口徑選擇及閥體材料等方面進(jìn)行徹底改造，達(dá)到在高壓差工況下耐沖刷、 耐氣蝕和抗腐蝕的效果，延長設(shè)備使用壽命，提升水煤氣分離器液位調(diào)節(jié)精度，進(jìn)一步保證水煤氣分離器對(duì)合成氣的分離效果，為后續(xù)變換工況提供合格的原料氣。

基于實(shí)際工況，從以下6方面進(jìn)行分析：

a. 閥門前后壓差過大容易造成流體在經(jīng)過閥門節(jié)流件時(shí)壓降過大，低于飽和蒸汽壓時(shí)形成氣蝕［2，3］，氣泡在閥腔內(nèi)部爆裂，對(duì)閥體和閥內(nèi)件造成嚴(yán)重侵蝕，閥壁變薄、坑坑洼洼，嚴(yán)重時(shí)甚至打穿閥體，嚴(yán)重縮短了閥門的使用壽命。

b. 介質(zhì)凝液中含氯離子，具有腐蝕性。

c. 介質(zhì)中含有少量灰分，長期使用，對(duì)閥內(nèi)件密封有損傷。

d. 閥門要求硬密封Ⅴ級(jí)以上（長期使用），所以要考慮閥門執(zhí)行器長時(shí)間使用的彈簧力衰減，執(zhí)行器推力安全系數(shù)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(yùn)行過程中，閥門一直處于小開度工作，加重了對(duì)閥內(nèi)件的沖蝕。

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

針對(duì)以上分析的問題，進(jìn)行相應(yīng)改造：

a. 重新設(shè)計(jì)閥門口徑。 原閥口徑4″，但根據(jù)工藝參數(shù)重新計(jì)算閥門的流通能力CV為8， 所以閥體尺寸設(shè)計(jì)為″，閥芯尺寸設(shè)計(jì)為1″，正常工況時(shí)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(shè)計(jì)閥門結(jié)構(gòu)。 閥門結(jié)構(gòu)是第一關(guān)鍵，原閥門選用單座閥，未設(shè)計(jì)減壓閥內(nèi)件（圖1）。 閥內(nèi)介質(zhì)流速高、壓差大（5.5 MPa）、含雜質(zhì)、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(duì)內(nèi)件損傷極大，原閥門未考慮復(fù)雜工況的苛刻程度。 改造時(shí)，選用了軸流式多級(jí)降壓閥內(nèi)件（8級(jí)減壓軸流式閥內(nèi)件），如圖2所示，逐級(jí)降壓，以抵消氣蝕對(duì)閥門的破壞作用，適應(yīng)嚴(yán)苛工況。

圖1 原單座調(diào)節(jié)閥閥體結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 軸流式多級(jí)降壓閥體結(jié)構(gòu)示意圖

c. 對(duì)閥門材料進(jìn)行升級(jí)。 閥門材料是第二關(guān)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(yōu)良的耐沖刷、 耐氣蝕性能，硬度很高，但是容易碎裂，要達(dá)到既耐沖刷又耐腐蝕的效果， 生產(chǎn)碳化鎢的配方和工藝很關(guān)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(huì)增強(qiáng)，脆性就會(huì)降低。

雙相不銹鋼具有高強(qiáng)度的沖擊韌性和優(yōu)良的抗腐蝕性能，尤其在抗點(diǎn)腐蝕和晶間腐蝕方面更具優(yōu)越性，雙相不銹鋼具備相當(dāng)高的抗腐蝕性能。 雙相不銹鋼是奧氏體不銹鋼抗壓強(qiáng)度的兩倍，所以在設(shè)計(jì)時(shí)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(yōu)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(jié)合，延長了閥門的使用周期。

3 改造后的效果

閥門結(jié)構(gòu)采用軸流式多級(jí)降壓閥內(nèi)件，很好地消除了氣蝕對(duì)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(jí)，采用整體燒結(jié)的碳化鎢（硬度HRC70以上），極大地提升了閥內(nèi)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(jí)， 雙相鋼2205具有很強(qiáng)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(jié)束語

通過對(duì)水煤氣分離器液位控制閥在使用過程中出現(xiàn)的故障問題的原因進(jìn)行深入剖析，從設(shè)計(jì)選型、工況條件、介質(zhì)成分等多方面了解問題的本質(zhì)，從而進(jìn)行了行之有效的改造，既保證了裝置的安全穩(wěn)定生產(chǎn)又節(jié)約了采購和維修費(fèi)用，并且在實(shí)際使用中實(shí)現(xiàn)了很好的效果，為同行業(yè)同類型裝置提供良好的解決方案，具有一定的借鑒意義。