分析了常規(guī)金屬密封球閥用于含硬固體顆粒介質(zhì)的管路系統(tǒng)進(jìn)行流量控制時的損壞原因，介紹了3 種具有流量控制功能防沖刷磨損的球閥及流量控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)。產(chǎn)品已獲國家專利( 專利號: ZL 201120216593. 7、ZL 201120470509. 4、ZL 201420294111. 3) 。

1、概述

　　隨著工業(yè)的發(fā)展，閥門的使用工況越來越復(fù)雜，在很多工業(yè)領(lǐng)域，如煤制油、煤化工、多晶硅、有機(jī)硅、催化汽油吸附脫硫、延遲焦化、電廠排渣等裝置，管路系統(tǒng)中的介質(zhì)含有大量的硬固體顆粒。對于閘閥、截止閥等傳統(tǒng)閥類，由于固體顆粒介質(zhì)會在閥腔中沉積，導(dǎo)致閥門無法關(guān)閉和密封。另外，閥門開啟時密封面暴露在介質(zhì)中，硬固體顆粒介質(zhì)會直接沖刷和磨損密封面，閥門使用壽命極短，因此，目前國內(nèi)外針對該類工況一般選用金屬密封球閥。

　　金屬密封球閥在全開啟狀態(tài)下，閥座密封面及球體密封面處于受保護(hù)狀態(tài)，不會被硬固體顆粒介質(zhì)沖刷和磨損。在開啟和關(guān)閉過程中金屬密封球閥能夠自動刮除密封面上的固體介質(zhì)，從而確�？煽棵芊�，另外，耐磨球閥的密封面采用耐磨材料，因此，閥門用于含硬固體顆粒介質(zhì)的管路系統(tǒng)進(jìn)行開關(guān)控制時，具有理想的使用效果和使用壽命。但是，當(dāng)含硬固體顆粒介質(zhì)的管路系統(tǒng)需要進(jìn)行流量控制時，常規(guī)金屬密封球閥的使用壽命卻很短，大量的使用表明，常規(guī)金屬密封球閥僅適用于含硬固體顆粒介質(zhì)管路系統(tǒng)的開關(guān)控制，而不適用該類管路系統(tǒng)的流量控制。

2、常規(guī)金屬密封球閥用于管路系統(tǒng)流量控制時的分析

　　通常金屬密封球閥用于含硬固體顆粒介質(zhì)管路系統(tǒng)的開關(guān)控制。但是，某些工況需要用耐磨球閥進(jìn)行管路系統(tǒng)的流量調(diào)節(jié)與控制。常規(guī)金屬密封球閥在硬固體顆粒介質(zhì)的管路系統(tǒng)進(jìn)行流量調(diào)節(jié)和流量控制時壽命很短，甚至使用數(shù)小時閥門就完全損壞。為了控制管路系統(tǒng)的流量，球閥處于部分開啟狀態(tài)(圖1) ，此時，流經(jīng)球閥的介質(zhì)在通道截面1 處由于節(jié)流而使流速增大，高速流動的固體顆粒介質(zhì)

　　直接沖刷在球體的A 部位以及閥體的B 部位，導(dǎo)致A、B 部位的磨損與損壞。圖2 是常規(guī)金屬密封球閥用于含硬固體顆粒介質(zhì)的管路系統(tǒng)進(jìn)流量調(diào)節(jié)時的損壞情況。

圖1 金屬密封球閥處于部分開啟狀態(tài)

圖2 金屬密封球閥受到?jīng)_刷和磨損的狀態(tài)

　　當(dāng)常規(guī)金屬密封球閥用于管路系統(tǒng)進(jìn)行流量調(diào)節(jié)時，閥門內(nèi)部介質(zhì)經(jīng)節(jié)流后流速增大、流向改變，導(dǎo)致硬固體顆粒介質(zhì)直接對球體和閥體的高速沖刷，是常規(guī)金屬密封球閥磨損和損壞的原因。

3、具有流量控制功能防沖刷磨損球閥及流量控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　通過改變球閥的開度來達(dá)到控制管路系統(tǒng)流量的目的，但是，球閥在改變開度的同時也改變了介質(zhì)在局部區(qū)域的流速和流向，導(dǎo)致高速流動的介質(zhì)直接對球體及閥體的沖刷，因此，通過對球閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的改變，盡可能減少高速流動介質(zhì)對球體及閥體的直接沖刷，從而延長球閥的使用壽命。圖3 是一種適用于流量控制的耐磨球閥，該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是將球體出口一側(cè)去除一部分，當(dāng)球閥通過改變開度來控制流量時，經(jīng)過球體進(jìn)口側(cè)的高速流體的流向不會有很大的改變。因此，真空技術(shù)網(wǎng)（http://www.mp99x.cn/）認(rèn)為介質(zhì)對于球體及閥體的沖刷會大大減少，從而有效減少了球體及閥體的磨損和損壞，實(shí)際使用表明，該結(jié)構(gòu)的球閥用于含硬固體顆粒介質(zhì)的管路系統(tǒng)進(jìn)行流量控制時，使用壽命提高了10 多倍。

　　圖3的耐磨球閥可以通過改變球體的開度來調(diào)節(jié)管路系統(tǒng)的流量，但是，采用該結(jié)構(gòu)的耐磨球閥進(jìn)行流量調(diào)節(jié)與控制時，介質(zhì)的流動方向還是有一些改變，從而會對球體及閥體有一定程度的沖刷和磨損。因此，針對定流量管路控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)開發(fā)了另一種具有流量控制功能的防沖刷磨損的耐磨球閥(圖4) ，該結(jié)構(gòu)的球閥采用半球結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在球體上設(shè)置了一個小孔，該小孔的尺寸根據(jù)需要控制的流量進(jìn)行設(shè)置，當(dāng)球閥全開啟時，通道完全暢通，此時介質(zhì)的流動基本不會對閥門產(chǎn)生沖刷和磨損。當(dāng)需要進(jìn)行管路系統(tǒng)的流量控制時，球體上的小孔處于閥門通道的正中位置，此時，經(jīng)過該小孔的節(jié)流，高速流經(jīng)小孔的介質(zhì)處于球閥通道的正中部位，故不會對閥體及球體產(chǎn)生沖刷和磨損。采用該結(jié)構(gòu)的耐磨球閥替代常規(guī)耐磨球閥，成功應(yīng)用于煤氣化裝置的渣水排放，實(shí)際使用表明，閥門的使用壽命提高了幾十倍。

圖3 具有流量控制功能防沖刷磨損的耐磨球閥

圖4 具有流量控制功能防沖刷磨損的耐磨球閥工作狀態(tài)

　　在工程管路系統(tǒng)中的介質(zhì)含有大量硬固體顆粒，當(dāng)管路系統(tǒng)壓力較高時需要通過閥門來控制管路中介質(zhì)的流量，避免因流量過大而發(fā)生事故，而當(dāng)管路中的壓力降低到規(guī)定的壓力后，要求管路暢通使介質(zhì)迅速排放。為了滿足使用要求，設(shè)計(jì)開發(fā)了采用金屬密封球閥的防沖刷磨損的管路流量控制系統(tǒng)( 圖5) 。圖中A 是管路的進(jìn)口側(cè)，B 是管路的出口側(cè)，在主管線耐磨球閥的進(jìn)出口兩側(cè)設(shè)置旁路管線，在旁路管線上安裝流量限制孔板和旁路管線耐磨球閥�？装逶O(shè)置在旁路管線的進(jìn)口一側(cè)，在旁路管線的出口一側(cè)設(shè)置耐磨球閥。孔板的限流孔設(shè)置在孔板的中心位置，孔板限流孔的孔徑根據(jù)流量確定。通常要求旁路管線的通道面積數(shù)倍于孔板的限流孔面積。真空技術(shù)網(wǎng)（http://www.mp99x.cn/）為了確保孔板的耐磨性能，孔板通常采用硬質(zhì)合金、陶瓷等耐磨材料制造。

　　主管線耐磨球閥和旁路管線金屬密封球閥關(guān)閉時，管路系統(tǒng)處于關(guān)閉狀態(tài)。當(dāng)進(jìn)口側(cè)壓力較高，開啟閥門時需要控制管路系統(tǒng)的流量。先將旁路管線耐磨球閥全開啟，此時，進(jìn)口側(cè)的高壓介質(zhì)通過旁路管線流到出口側(cè)，孔板的限流使流量得到了控制。由于旁路管線的通道面積遠(yuǎn)大于孔板的通道面積，受孔板的限制，旁路管線的流速也得到了限制，避免了旁路管線因?yàn)榻橘|(zhì)流速較大而被沖刷磨損。孔板的限流，介質(zhì)流經(jīng)孔板時會產(chǎn)生較高的流速，由于限流孔設(shè)置在孔板的中心，因此經(jīng)過孔板的高速介質(zhì)不會直接沖刷到管壁，從而確保了旁路管線不會被沖刷磨損。當(dāng)進(jìn)口側(cè)壓力通過旁路管線泄放而降低到規(guī)定的壓力時，可以將主管線耐磨球閥打開，此時能夠保證主管路暢通，使介質(zhì)得到迅速的排放。

　　系統(tǒng)在進(jìn)行主管線的開關(guān)控制以及流量控制時，主管線耐磨球閥和旁路管線耐磨球閥均只需要全開全關(guān)操作，而不需要部分開啟，因此，可以防止球閥因?yàn)椴糠珠_啟而導(dǎo)致介質(zhì)對球體及閥體的沖刷磨損。管路流量控制系統(tǒng)滿足了工況對于系統(tǒng)開關(guān)及流量控制的要求，并能夠有效防止閥門使用時被沖刷磨損。該流量控制系統(tǒng)已成功應(yīng)用于垃圾處理發(fā)電系統(tǒng)，使用結(jié)果表明，采用該流量控制系統(tǒng)替代單一的耐磨球閥，可提高閥門的使用壽命幾十倍。

圖5 防沖刷磨損的管路流量控制系統(tǒng)

4、結(jié)語

　　常規(guī)金屬密封球閥用于含硬固體顆粒介質(zhì)的管路系統(tǒng)進(jìn)行開關(guān)控制時具有良好的使用壽命，但用于該管路系統(tǒng)進(jìn)行流量控制時使用壽命很短。針對常規(guī)金屬密封球閥用于流量控制時的損壞原因及不同流量的控制要求，設(shè)計(jì)開發(fā)的3 種具有流量控制功能防沖刷磨損耐磨球閥以及流量控制系統(tǒng)，成功應(yīng)用于多種含硬固體顆粒的管路系統(tǒng)中，能夠有效防止硬固體顆粒介質(zhì)的沖刷和磨損，使用壽命長。