針對德士古煤化工系統(tǒng)氣化和渣水處理裝置的黑水角閥在實(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)的閥體及閥座后流道沖蝕、氣蝕、閥瓣脫落和閥門卡塞等現(xiàn)象，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、關(guān)鍵零部件的材料選擇等方面分析了原因，提出了相應(yīng)的解決方法。

1、概述

　　用于德士古系統(tǒng)煤氣化裝置的氣化和渣水處理裝置中的黑水角閥，由于介質(zhì)溫度高、壓降大、灰渣含量高、顆粒硬度高、腐蝕性強(qiáng)，且介質(zhì)為固、液、氣三相流等因素，對閥門造成極大程度的沖蝕及氣蝕破壞，嚴(yán)重影響閥門的使用壽命和系統(tǒng)正常運(yùn)行。

2、原因分析

　　黑水角閥在德士古系統(tǒng)使用中常見的問題主要為閥體穿孔、閥瓣脫落、閥內(nèi)件沖蝕和閥門卡塞等。

　　2.1、閥體穿孔

　　某煤化工現(xiàn)場使用的黑水角閥在裝置運(yùn)行2 個月后出現(xiàn)閥體穿孔，其現(xiàn)場介質(zhì)為含有固體顆粒的黑水，溫度為200℃，進(jìn)口壓力為8MPa，出口壓力為0. 4MPa，閥門關(guān)閉壓差為10. 34MPa，管道尺寸為DN150，閥門進(jìn)口法蘭公稱直徑為DN100，閥門出口法蘭公稱直徑為DN150，最大流量為160m3 /h。經(jīng)初步計(jì)算分析，入口流速為5. 7m /s，出口流速為2. 5 m /s。介質(zhì)流動狀態(tài)為阻塞流，由于閥后壓力0. 4MPa 遠(yuǎn)小于閥前200℃ 時的飽和蒸汽壓( 1. 55MPa) ，閥后存在嚴(yán)重氣蝕現(xiàn)象。

　　通過流體有限元分析軟件( 圖1) 分析，介質(zhì)在閥腔拐點(diǎn)和出口縮徑處流速極高，黑水中的硬質(zhì)懸浮顆粒對閥腔造成嚴(yán)重的沖蝕破壞。另外，出口法蘭與縮徑管道連接處的壁厚過渡不均勻，而這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在鑄造時很容易引起金屬局部積聚和厚度突變，容易產(chǎn)生砂眼、縮孔和裂紋等鑄造缺陷，在高速沖蝕的工況，閥體易出現(xiàn)穿孔。

圖1 閥體有限元分析

　　2.2、閥瓣脫落

　　目前在高溫閃蒸工位使用的黑水角閥，其閥桿和閥瓣多采用機(jī)械緊固連接。由于介質(zhì)的高速沖擊或波動，連接處易出現(xiàn)松動，引起閥瓣的振動。而閥瓣材料為整體燒結(jié)的硬質(zhì)合金，硬度高、脆性大，在這種循環(huán)振動的工況閥瓣容易震碎。如使用中引發(fā)共振對閥瓣的破壞更大。

　　2.3、閥座后流道沖蝕和氣蝕

　　從黑水液固兩相流經(jīng)角閥減壓后的流動狀態(tài)分析，介質(zhì)對閥座后流道主要產(chǎn)生沖蝕和氣蝕破壞。在節(jié)流口處，根據(jù)伯努利方程，靜壓能轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽�，其流速急劇增�? 流動狀態(tài)為湍流) 。夾雜在黑水中的硬質(zhì)顆粒( SiO2等) 以切削、犁溝和刺入的方式對閥內(nèi)件進(jìn)行高速沖刷形成沖蝕。在節(jié)流口處靜壓能最低，若縮截面處的壓力等于或小于該液體入口溫度下的飽和蒸汽壓時部分氣體將氣化，使閥后形成氣、固、液這三相流共存的現(xiàn)象，出現(xiàn)閃蒸，繼而壓力恢復(fù)至高于飽和蒸汽壓時氣泡破裂，形成氣蝕使閥座后流道的內(nèi)表面形成蜂窩狀的小孔。在沖蝕和氣蝕的雙重作用下，閥座后流道采用一般高硬度的耐磨材料或表面硬化工藝很難滿足工況要求。目前國內(nèi)外角閥廠家通過在閥座后流道襯一段硬質(zhì)合金管，其余流道噴焊硬質(zhì)合金解決沖蝕和氣蝕問題。但由于缺乏對工況的了解，閥門在使用一段時間后閥后流道依然出現(xiàn)不同程度的損壞。

　　2.4、閥門卡塞及外泄漏

　　黑水閃蒸系統(tǒng)的角閥在使用一段時間后出現(xiàn)卡塞的故障，其主要原因是閥門在開關(guān)過程中，固體顆粒進(jìn)入填料和閥桿的間隙處，經(jīng)長期運(yùn)行后引起物料堆積甚至結(jié)垢而將閥桿卡住，導(dǎo)致閥門輸出力不足引起卡塞，甚至出現(xiàn)閥門外漏。其次是閥門執(zhí)行器的安全系數(shù)選擇過小也是引起卡塞的主要原因之一。

3、改進(jìn)措施

　　針對黑水角閥在使用中出現(xiàn)的問題，從閥門內(nèi)腔結(jié)構(gòu)、零部件連接方式和熱處理工藝等方面做了改進(jìn)。

　　3.1、優(yōu)化閥體內(nèi)腔結(jié)構(gòu)

　　閥體內(nèi)腔按IEC 534 標(biāo)準(zhǔn)的角式流線型設(shè)計(jì)，且內(nèi)腔不同型面的過渡處盡量采用大圓弧設(shè)計(jì)，以避免滯留點(diǎn)和急轉(zhuǎn)彎。若存在流速高、腐蝕性強(qiáng)的惡劣工況，閥體內(nèi)壁還應(yīng)采用噴涂硬質(zhì)合金的硬化方式，以提高閥體耐蝕耐沖刷能力。閥門公稱直徑及節(jié)流口規(guī)格應(yīng)盡量按照管道選型，避免閥腔及閥出口縮徑，以提高閥門的整體性能。

　　3.2、優(yōu)化閥桿與閥瓣結(jié)構(gòu)

　　黑水角閥的閥桿與閥瓣連接通常采用熱銜鉚接工藝及螺栓鎖緊閥瓣后再用螺釘防松( 圖2) 。從抵抗介質(zhì)側(cè)面沖擊方面分析，采用螺栓鎖緊閥瓣后再用螺釘防松效果較好。因閥桿與閥瓣的連接力臂較短，其抗彎和抗沖擊性能更優(yōu)異。黑水角閥的閥桿細(xì)長比較大，易受介質(zhì)側(cè)面沖擊引起振動，所以在設(shè)計(jì)允許的條件下，適當(dāng)?shù)脑龃箝y桿直徑，以增強(qiáng)閥桿的穩(wěn)定性。對氣化爐出口的黑水閥，應(yīng)適當(dāng)?shù)膬?yōu)化選型，控制閥門正常工作時的開度在30% ～ 80%，避免小開度工作，減少黑水中的介質(zhì)顆粒對閥瓣的異常沖擊。

　　3.3、優(yōu)化閥座后流道熱處理工藝

　　在閥座后流道的適當(dāng)距離內(nèi)襯整體燒結(jié)的硬質(zhì)合金，以減少介質(zhì)對管內(nèi)件的沖蝕和氣蝕破壞。硬質(zhì)合金應(yīng)采用整體燒結(jié)的碳化鎢，制造工藝采用冷等靜壓，以提高材料的致密度，增加晶粒間的粘合力，從而保證更好的硬度和強(qiáng)度。

　　3.4、優(yōu)化閥桿密封結(jié)構(gòu)

　　在閥桿密封的填料函處必須設(shè)計(jì)有防細(xì)小物料進(jìn)入填料密封系統(tǒng)的刮塵結(jié)構(gòu)。同時在設(shè)計(jì)允許的條件下，盡可能增大執(zhí)行器的安全系數(shù)，解決因少量物料堆積引起的閥門卡塞。

(a) 鉚接(b) 螺栓連接

圖2 閥桿與閥瓣連接

4、結(jié)語

　　黑水角閥作為德士古系統(tǒng)煤氣化裝置的氣化和渣水處理部分主要調(diào)節(jié)閥，在系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用。閥門設(shè)計(jì)時，不僅應(yīng)使閥門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合乎規(guī)范要求，還應(yīng)多了解在線使用時出現(xiàn)的諸多問題，以優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，提高產(chǎn)品的使用壽命，保證系統(tǒng)的安全運(yùn)行。