孫兵兵，王首寶，耿鵬逞，張娟娟，周 展，楊俊峰

(1.洛陽雙瑞特種裝備有限公司 中國船舶重工集團(tuán)公司第七二五研究所，河南 洛陽 471000；2.中海石油寧波大榭石化有限公司，浙江 寧波 315812)

0 概述

盤閥是通過滑動(dòng)圓盤來實(shí)現(xiàn)開關(guān)的一種快開快關(guān)型閥門，是專門針對(duì)帶有磨損、沖蝕性的含固物料輸送工況而設(shè)計(jì)的閥門[1]。近幾年來，盤閥在國內(nèi)的煤化工氣化爐裝置、海綿鈦冶煉等粉料輸送系統(tǒng)等顆粒介質(zhì)工況應(yīng)用中，性能優(yōu)異，受到了客戶的廣泛關(guān)注。

以義馬煤業(yè)綜能新能源責(zé)任有限公司(下稱義煤綜能)U-GAS煤氣化裝置為試點(diǎn)，展開固體物料輸送苛刻工況的高溫耐磨盤閥設(shè)計(jì)及應(yīng)用研究。該公司共有3臺(tái)U-GAS氣化爐，每臺(tái)氣化爐的鎖渣系統(tǒng)使用高溫耐磨盤閥3臺(tái)。該盤閥工作頻率為6次/h，4個(gè)生產(chǎn)周期一共50 000次。

圖1 煤氣化裝置鎖渣系統(tǒng)盤閥使用位置示意圖

1 問題分析

該工況為典型的固體顆粒介質(zhì)用快速切斷、耐磨工況，此工況之前主要使用硬密封球閥，但硬密封球閥容易產(chǎn)生的問題有：

(1)密封面磨損，閥體主密封(球體與閥座密封)泄漏[2-4]；密封不嚴(yán)，導(dǎo)致儲(chǔ)渣罐中壓力降低，介質(zhì)泄漏到下游的儲(chǔ)罐或撈渣機(jī)，也給后續(xù)工段操作帶來安全風(fēng)險(xiǎn)。

(2)物料堆積、閥門卡死，操作不動(dòng)，此時(shí)若盲目增大操作力，可能會(huì)導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)鏈的零件如閥桿、聯(lián)軸器損壞；且由于鎖渣系統(tǒng)位于氣化爐的出口，一旦發(fā)生卡死的情況，故障未能及時(shí)解決，將導(dǎo)致裝置緊急停車[5-6]。

盤閥與球閥相比，從原理上即具有獨(dú)特的旋轉(zhuǎn)自研磨密封結(jié)構(gòu)，可以保證密封的長期可靠。旋轉(zhuǎn)剪切圓盤自旋轉(zhuǎn)、自研磨及增強(qiáng)閥座的自清潔能力，使得閥盤、閥座密封面磨損均勻，壽命范圍內(nèi)，閥盤與閥座越研磨，密封效果越好。盤閥開關(guān)時(shí)剪碎通過閥門的固體介質(zhì)，也可以將可能堆積的物料從密封面上刮削干凈[7-9]。

閥瓣、閥座采用硬面材料，具備優(yōu)秀的耐磨性能；其閥體結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)置有彈簧補(bǔ)償結(jié)構(gòu)，也適用于高溫工況[1]。

圖2 閥盤運(yùn)動(dòng)過程中的自轉(zhuǎn)

盤閥的自研磨特性是由其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)決定的，動(dòng)作瞬間，密封面上的摩擦力不平衡，使得閥盤旋轉(zhuǎn)，每次動(dòng)作即旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度，周而復(fù)始使得密封面的各部位研磨均勻，保證長期使用的密封效果。

在操作方面，盤閥開啟過程中，物料直接向下排出，不至于在閥腔中堆積，因而不會(huì)像此類工況上用的球閥一樣經(jīng)常因介質(zhì)堵塞閥腔而卡死，能夠保證長期的操作性能[7-10]。

此外，為應(yīng)對(duì)工況問題，應(yīng)合理選擇閥門類型、零件材料、密封結(jié)構(gòu)和適合的涂層及其加工工藝。在制造環(huán)節(jié)，應(yīng)嚴(yán)格控制密封面加工精度，保證閥盤、閥座密封面較高的配合度，使得密封效果良好、摩擦力小[3]。

2 工況參數(shù)

工況基本參數(shù)如下：

公稱通徑 DN350

公稱壓力 CLASS600

介質(zhì) 灰渣、合成氣

使用溫度 450 ℃

設(shè)計(jì)溫度 500 ℃

閥門動(dòng)作頻率 6次/h

行程時(shí)間 ≤10 s

泄漏量 CLASS V

操作方式 氣動(dòng)

使用壽命 ≥一年(≥50 000次)

3 閥門設(shè)計(jì)

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該工況盤閥在使用中的問題主要有：主密封密封面磨損嚴(yán)重；閥桿組件與閥座內(nèi)孔配合處磨損嚴(yán)重；行程不到位[5-6,8]。結(jié)合其耐磨、耐腐蝕、防卡死等要求，從設(shè)計(jì)端對(duì)閥門的使用性能進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)和調(diào)控，確定了該盤閥的設(shè)計(jì)形式。

采取的措施有：(1)設(shè)計(jì)了寬大的密封面，使得閥門在較低的預(yù)緊密封比壓下即能實(shí)現(xiàn)密封，同時(shí)，盤閥在密封性能合格的情況下，磨損較少；(2)為改善其閥盤閥座密封面的耐磨性能，選用Ni-Cr3C2，其具有相對(duì)更高的硬度和高溫使用性能，而不使用已知盤閥采用的Ni60/Ni55材質(zhì)密封副，改善了其耐磨性能；(3)針對(duì)在閥桿組件與閥盤內(nèi)孔的配合處存在磨損的情況，在易磨損的零件表面堆焊鈷基硬質(zhì)合金，改善其耐磨損性能，保證長期使用壽命；(4)選用較大的氣缸、較長的力臂提供足夠的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，保證可靠的操作性能；(5)操作行程方面，采用可調(diào)節(jié)行程設(shè)計(jì)，盤閥的開啟位置和關(guān)閉位置，均增設(shè)足夠的行程余量。

除以上外，本工況盤閥設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為：高溫氣動(dòng)盤閥，設(shè)計(jì)為兩組密封副、每組密封副由一個(gè)閥盤、一個(gè)閥座組成的盤閥；閥盤為碟簧加載式浮動(dòng)閥盤；閥座為固定閥座，閥座與閥體之間采用柔性石墨墊片作為密封元件；操作方式為氣動(dòng)，選用雙作用式氣缸。

盤閥總裝結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 盤閥總裝結(jié)構(gòu)圖

3.2 材質(zhì)選擇

因該工況溫度高，存在少量腐蝕，因此在選材方面主要考慮符合該工況溫度使用要求的材料。各零件選材如下：

閥體：F316H

閥桿：XM-19+STL6

閥盤：660+Ni-Cr3C2

閥座：F316H+Ni-Cr3C2

碟簧：Incoloy X750

螺栓：25Cr2Mo1VA

螺母：25Cr2Mo1VA

3.3 設(shè)計(jì)計(jì)算

3.3.1 基本設(shè)計(jì)

盤閥的基本設(shè)計(jì)，主要包括殼體最小壁厚、最小通徑，以及安裝和連接特征。盤閥的最小通道直徑保證了其流通性能，按《GB/T 12224—2015鋼制閥門 一般要求》，取350 mm；盤閥的殼體形成了介質(zhì)壓力的邊界，保證了產(chǎn)品的基本安全性能，其最小壁厚，按《GB/T 12224—2015鋼制閥門 一般要求》，并參考《ASME B16.34—2017法蘭、螺紋和焊接端連接的閥門》相應(yīng)材料的溫度壓力額定值，確定該DN350 CLASS600盤閥的最小壁厚為35 mm。

連接端為法蘭端，按《HG/T 20615—2009鋼制管法蘭》。結(jié)構(gòu)長度，按《GB/T 12221—2014鋼制閥門 結(jié)構(gòu)長度》，長度為889 mm。

3.3.2 密封設(shè)計(jì)

密封設(shè)計(jì)應(yīng)滿足密封條件。密封部位包含主密封、閥座與閥體密封、閥體連接密封、閥桿密封等?，F(xiàn)僅介紹主密封，即盤閥的閥盤和閥座在關(guān)閉位時(shí)形成的密封的計(jì)算。

q=N/AMH

(1)

qmin≤q≤[q]

(2)

N—密封面上的法向力，N；

AMH—密封面的環(huán)帶面積，mm2；

qmin—必需密封比壓，MPa；

[q]—密封面材料的許用比壓，MPa。

FMZ=FMY+FMJ

(3)

(4)

(5)

(6)

qmin=c+K×P/SQRT(bM/10)

式中FMZ—閥座密封圈的總作用力，N；

FMY—彈簧對(duì)閥座的預(yù)緊力，N；

FMJ—介質(zhì)經(jīng)閥盤壓在下游閥座密封面上的力，N；

DMW—閥座密封面外徑，mm；

淡藍(lán)的天、橙色的陽光、溫和的風(fēng)、眼前散發(fā)青春氣息的女孩，我仿佛是要出發(fā)到遠(yuǎn)處旅行，而不是要到學(xué)校上課。

DMN—閥座密封面內(nèi)徑，mm；

qMYmin—閥座預(yù)緊的最小比壓，MPa；

P—介質(zhì)壓力，MPa；

c—基礎(chǔ)密封比壓系數(shù)，對(duì)硬面材料，c=3.5；

K—介質(zhì)壓力系數(shù)，對(duì)硬面材料，K=1；

bM—密封面密度，mm。

3.3.3 驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

盤閥的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)，主要考慮所選用氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置的輸出轉(zhuǎn)矩，應(yīng)大于閥門啟閉動(dòng)作時(shí)的摩擦轉(zhuǎn)矩，并考慮一定的安全裕量。

對(duì)盤閥，其摩擦轉(zhuǎn)矩的組成部分有：閥盤/閥座密封面的摩擦轉(zhuǎn)矩、閥桿與填料的摩擦轉(zhuǎn)矩、閥桿與軸承之間的摩擦轉(zhuǎn)矩等。各項(xiàng)轉(zhuǎn)矩的計(jì)算不做展開。

M=MMF+MTL+MZT

(7)

式中M—盤閥總的摩擦轉(zhuǎn)矩，N·m；

MMF—閥盤/閥座密封面的摩擦轉(zhuǎn)矩，N·m；

MTL—閥桿與填料的摩擦轉(zhuǎn)矩，N·m；

MZT—閥桿與軸承之間的摩擦轉(zhuǎn)矩，N·m。

按計(jì)算摩擦轉(zhuǎn)矩的2倍安全系數(shù)，選擇氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置，型式為活塞式雙作用氣動(dòng)執(zhí)行器。

4 密封副的表面涂層及加工

盤閥的密封副指閥盤和閥座，其涂層選用及加工后的精度，也是保證產(chǎn)品使用壽命的重要因素。

閥盤及閥座密封面的耐磨材料和工藝是高溫耐磨盤閥最重要的技術(shù)之一，密封面耐磨材料及工藝的選用需要考慮使用工況的壓力、溫度、腐蝕性、介質(zhì)硬度等因素。此外，還需要考慮密封面耐磨材料與基體材料的結(jié)合強(qiáng)度、耐磨層的厚度、硬度、孔隙率等多種因素，以及涂層材料對(duì)工藝的適用性[2-3]。

涂層的制作工藝上，目前使用的主流方法有超音速噴涂、熱噴涂、激光熔覆技術(shù)等[3]，其他工藝如堆焊、滲氮、滲硼、鍍鉻因?yàn)楣に嚪€(wěn)定性、效率、硬化層均勻性、硬度、硬化層厚度等方面存在不足，高溫硬密封閥門已基本不采用[3]。

根據(jù)工況的腐蝕性及加工工藝性能，選擇閥盤、閥座的密封面涂層材質(zhì)為Ni-Cr3C2，噴涂方法為熱噴涂。噴涂后耐磨材料與基體達(dá)到冶金結(jié)合，涂層特點(diǎn)為結(jié)合強(qiáng)度高、厚度較大(0.5～1.0 mm)、硬度較高。

盤閥的密封副指閥盤和閥座，其加工步驟為車-硬化-磨-配研。其中提高加工的精度的要點(diǎn)是在保證零件位置度的條件下，將密封副加工到≤Ra0.4公差要求范圍內(nèi)，再進(jìn)行配研，如圖4所示。

圖4 加工完成的閥盤

配研后，應(yīng)檢測(cè)閥盤、閥座的加工結(jié)果，通常的檢測(cè)方法有：三坐標(biāo)檢測(cè)、煤油滲透性檢測(cè)等，如圖5所示。

圖5 用煤油檢測(cè)閥盤/閥座密封面密封性

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

盤閥裝配完成后，按照試驗(yàn)《GB/T 26480—2011閥門的檢驗(yàn)和試驗(yàn)》進(jìn)行出廠性能試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，該盤閥的各項(xiàng)性能，如密封性能、操作性能，均良好。目前，該產(chǎn)品已通過了權(quán)威機(jī)構(gòu)組織的型式試驗(yàn)鑒定。

圖6 調(diào)試完成的煤化工鎖渣系統(tǒng)高溫耐磨盤閥

6 結(jié)論

本文敘述了煤化工鎖渣系統(tǒng)高溫耐磨盤閥設(shè)計(jì)的思路、方法，并結(jié)合工況，進(jìn)行了設(shè)計(jì)、生產(chǎn)實(shí)踐，經(jīng)過樣機(jī)試制后表明，產(chǎn)品性能良好。在解決用戶工況實(shí)際問題的同時(shí)，為同類型工況上閥門的選用和設(shè)計(jì)提供了參考和借鑒。