張英英，張佳輝，溫智慧

（陜西航天泵閥科技集團(tuán)有限公司， 陜西 西安 710200）

1 概述

目前國內(nèi)的煤化工行業(yè)煤制氣技術(shù)常見的有德士古煤氣化技術(shù)、殼牌煤氣化技術(shù)、噴嘴對置式氣化技術(shù)、魯奇氣化技術(shù)、灰熔聚煤氣化技術(shù)等。但無論何種煤氣化工藝都存在煤氣化后煤渣排放問題，煤渣排放管路一般安裝在氣化爐激冷室或破渣機(jī)下部，安裝有三臺鎖渣閥，其中兩臺安裝在鎖斗進(jìn)口，一臺安裝在鎖斗出口并與渣池相連，所以該閥也稱鎖斗閥。

由于在排渣過程中存在高溫、高壓、易燃、易爆的氣體和固體顆粒狀介質(zhì)，且開關(guān)頻繁，因此該鎖渣閥必須耐高壓、耐高溫、耐磨損、耐腐蝕且應(yīng)有良好的密封性。

為滿足以上苛刻工況，鎖渣閥必須從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選擇、耐磨面處理、制造工藝等方面進(jìn)行深入的研究，提出合適的設(shè)計(jì)方案。

鎖渣閥的結(jié)構(gòu)型式多樣，基本采用氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)硬密封固定球閥，只是在球體支承及上下軸連接方式上，閥座密封型式和彈性元件的設(shè)置及防渣方式有所不同。從左右體的連接方式上可分為中分式結(jié)構(gòu)、兩段式或三段式結(jié)構(gòu)；從閥座的數(shù)量上又可分為單閥座和雙閥座等。

中分式結(jié)構(gòu)中，一體式球體和閥桿，保證了球體的對中性，同時(shí)避免了常規(guī)結(jié)構(gòu)中閥門頻繁開關(guān)后上下軸松動(dòng)、傾斜、脫離引起的泄漏等問題，同三段式相比，減少了一對法蘭泄漏點(diǎn)。本文主要探討中分式鎖渣閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

2 使用工況特點(diǎn)

通常排渣管道內(nèi)介質(zhì)為含固態(tài)礦渣的高溫混合渣水（也稱黑水），渣水中含有水、Cl、H2S、Fe2O3、SiO2、Al2O3等成分，具有一定的腐蝕性。管道內(nèi)最高溫度為270℃，最高壓力可達(dá)8.5MPa。

因此鎖渣閥主要使用介質(zhì)為黑水、煤漿、氮?dú)?、固體粉末及顆粒等混合物，該介質(zhì)對閥體流道、球體表面及流道、閥座密封面及流道等零部件沖刷和腐蝕很大。

現(xiàn)場使用工況主要有以下特點(diǎn)：

（1）在正常生產(chǎn)條件下，鎖渣閥開關(guān)頻繁（大約30min開關(guān)一次），往往在全壓差下工作。

（2）工況系統(tǒng)高壓力所形成的高速流體對閥門內(nèi)件，如閥座、閥桿和球體等造成極大沖擊，極易對內(nèi)件表面形成快速?zèng)_蝕，使內(nèi)件損壞。

（3）渣水混合物中具有無數(shù)大小不同的硬質(zhì)顆粒摻雜在高速流體中流動(dòng)，并有可能使渣粒進(jìn)入到球體與支承套間滑動(dòng)摩擦處損壞滑動(dòng)摩擦面，或夾在球體與閥座接觸面間，引起閥門力矩增大，使閥門無法啟閉或關(guān)閉不嚴(yán)。

（4）渣水混合物本身具有一定的腐蝕性，容易腐蝕被固體顆粒介質(zhì)沖擊破壞而暴露的新鮮表面，加速閥門零部件損壞。

（5）渣水混合物的灰渣極易積沉并黏附在球體表面，微小的灰渣甚至?xí)秩腴y座與閥體彈性元件安裝處，造成閥座活塞運(yùn)動(dòng)失效，引起力矩增大或球體無法轉(zhuǎn)動(dòng)，閥門關(guān)閉不嚴(yán)而滲漏。

（6）鎖渣閥的口徑一般較大，在高壓力流體介質(zhì)的作用下，閥門硬耐磨面密封面間產(chǎn)生較大的密封比壓；同時(shí)由于啟閉時(shí)間要求≤10S，所以閥門實(shí)際啟閉力矩遠(yuǎn)大于一般流體在相同工作壓力下的力矩，且極易擦傷密封面。

3 中分式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要技術(shù)難點(diǎn)

相對于普通的硬密封球閥，鎖渣閥要適用于高溫、高壓、強(qiáng)沖蝕及強(qiáng)腐蝕等工況條件,還要承受頻繁開關(guān)的惡劣工況，設(shè)計(jì)和制造中存在許多技術(shù)難點(diǎn)。主要表現(xiàn)在以下幾方面：

（1）鎖渣閥高壓差下開關(guān)頻繁（每30min開關(guān)1次），極易造成耐磨面（密封表面）的磨損及脫落。

（2）密封副表面硬度要求高，煤粉顆粒的硬度較高，此工況下在閥門關(guān)閉狀態(tài)時(shí)要求球體和閥座表面硬度層有較高的硬度，球體和閥座密封面選擇合適的耐磨面材料及與基體的結(jié)合處理方法，以防止脫落；閥體以及球體流道的耐磨損和耐沖擊處理方法。

（3）由于采用硬密封結(jié)構(gòu)，球體和閥座的配合幾何公差要求很高；在長期高速顆粒介質(zhì)沖擊下，保證球體支承穩(wěn)定性和上下軸的同軸心旋轉(zhuǎn)對閥門的密封性十分關(guān)鍵。

（4）中分面上左右體間密封墊片開口處密封問題。

（5）介質(zhì)中含有大量顆粒，易導(dǎo)致彈性元件卡死；因此對彈簧要求較高，在結(jié)構(gòu)上要充分考慮。

（6）高溫、高壓、高速顆粒沖擊下閥座與閥體間的密封問題。

（7）在閥門的啟閉過程中，由于煤漿的吸附性較強(qiáng)，極易粘在球體表面上，介質(zhì)顆粒被帶到閥座與球體的密封面之間，破壞了球體與閥座之間的密封副，從而影響閥門的密封性能，使用壽命大大縮短。這就要求閥門具有很好的“防塵”功能，防止球體與閥座間微小顆粒的沉積和粘結(jié)，具有密封面間雜質(zhì)清除功能。

4 解決方案

要生產(chǎn)出高質(zhì)量長壽命的鎖渣閥，必須解決以上難點(diǎn)。針對這些技術(shù)難點(diǎn)，提出以下可行性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案：

（1）球體和閥座選用不銹鋼鍛鋼，球體表面和閥座密封面采用火焰噴焊鎳基合金，硬度HRC≥60，鎳基合金本身具有高耐磨性能，能抗強(qiáng)烈的機(jī)械沖擊及熱沖擊，而且噴焊層硬度、厚度能夠得到保證，適用于腐蝕性介質(zhì)及帶顆粒的粉末等工況惡劣的介質(zhì)。該噴焊法耐磨層與基體是冶金結(jié)合，加工研磨后噴焊層厚度≥0.8mm，高厚度耐磨層適應(yīng)頻繁開關(guān)的沖擊力，火焰噴焊避免了超音速噴涂方法中噴涂層易脆裂現(xiàn)象。

（2）球體流道和閥座流道噴涂WC；閥體流道表面加耐磨襯套。

（3）球體和上軸為一體式（上軸與球體焊后一同加工），保證了上軸與球體上下支承的對中性，避免了常規(guī)結(jié)構(gòu)中閥門頻繁開關(guān)后上下軸松動(dòng)、傾斜、脫離引起的閥門泄漏等問題；為考慮啟閉安全性，上軸可選用與球體不一樣的材料，高強(qiáng)度不銹鋼如17-4PH。如圖1所示：

圖1 球體及中道密封結(jié)構(gòu)圖

（4）左右體中分式結(jié)構(gòu)同三段式相比，少了一對法蘭泄漏點(diǎn)；同時(shí)該結(jié)構(gòu)閥體上部的臺階能阻止一體式球體的飛出，避免了常規(guī)固定球閥額外必須設(shè)計(jì)一個(gè)填料函防飛結(jié)構(gòu)。

（5）左右體密封墊片在中軸孔處為開口式，可考慮設(shè)計(jì)雙重式石墨密封結(jié)構(gòu)。

（6）彈性元件采用特殊組合彈簧，見圖2。該彈簧為一種金屬外包高溫橡膠組合彈簧，截面異形阻渣，組件一側(cè)內(nèi)兩個(gè)對稱分布片狀螺旋彈簧作為支撐骨架，形成2個(gè)弧形支撐面，另一側(cè)彈性槽，整體提供閥座預(yù)緊力及密封；具有提供閥座預(yù)緊力，閥座與閥體間初始密封阻渣。減少了圓柱形/矩形壓縮彈簧容易受到的微小灰渣的影響，可防止雜質(zhì)及臟物進(jìn)入到組合彈簧腔體，有效防止了彈簧失效，確保彈簧長期有效工作，保證閥座長期有效運(yùn)動(dòng)。

圖2 組合彈簧截面結(jié)構(gòu)圖

（7）同芯導(dǎo)向反向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。煤漿的吸附性較強(qiáng)，容易粘在球體表面，在閥門啟閉過程中，介質(zhì)顆粒被帶到閥座與球體的密封面之間，破壞了球體與閥座之間的密封副，從而影響閥門的密封性能，使閥門的使用壽命大大縮短，為解決密封副損壞快這個(gè)問題，將閥座與閥體的同芯導(dǎo)向設(shè)計(jì)為反向結(jié)構(gòu)，可有效防止渣粒進(jìn)入到閥座主密封處，減少渣粒進(jìn)入閥座密封部位，保證閥座使用壽命，如圖3所示。

圖3 閥座結(jié)構(gòu)圖

（8）閥座與球體接觸處雙刮刀設(shè)計(jì)，即先初級刮掉大顆粒煤漿，次級刮刀清潔閥座與球面間粘結(jié)小顆粒煤漿，保持密封面間密封性。如圖3所示。

（9）閥座與閥體間采用石墨和組合彈簧的雙密封防火、防高溫設(shè)計(jì)，可有效保證失火或高溫下二者之間的密封，如圖3所示。

5 中分式鎖渣閥結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

該閥門主要由閥體、閥座、連軸球體、滑動(dòng)軸承、中道復(fù)合墊片、密封墊、彈簧（組合彈簧）、填料壓套、填料及氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)等組成，其內(nèi)件的金屬和保護(hù)涂層采用耐高溫（270℃）耐磨損材質(zhì)，密封副材料配對為金屬對金屬，在鎖渣管路中主要用來做切斷。兼具普通硬密封球閥的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)外，在設(shè)計(jì)選材及試驗(yàn)時(shí)，該閥應(yīng)能滿足在灰渣環(huán)境下的抗磨損要求，適應(yīng)較寬的溫度及壓力范圍，密封性能穩(wěn)定，具有良好的防腐蝕、防塵、防火、防靜電性能，并能滿足其頻繁開關(guān)（每30min一次）的要求。鎖渣閥采用的是金屬硬密封固定式球閥結(jié)構(gòu)（見圖1），該閥與其他球閥相比，具有許多特點(diǎn)：

圖4 中分式鎖渣閥結(jié)構(gòu)圖

（1）全通徑設(shè)計(jì)。通道圓整平滑，流道暢通，最大程度上保證介質(zhì)不沉積，同時(shí)在進(jìn)出口通道增加保護(hù)襯套，增加閥門抗沖刷性能。

（2）雙閥座固定硬密封球閥，閥座具有DBB結(jié)構(gòu)。

（3）中分式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，自帶閥桿防飛軸肩，常規(guī)的三段式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，要比中分式設(shè)計(jì)多一個(gè)理論外泄漏點(diǎn)?，F(xiàn)采用中分式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，閥門左閥體與右閥體結(jié)構(gòu)對分，維護(hù)簡單，拆裝方便，清潔容易。

（4）球體和上軸為一體式，保證了上軸與球體上下支承的對中性，避免了常規(guī)結(jié)構(gòu)中閥門頻繁開關(guān)后上下軸松動(dòng)、傾斜、脫離引起的閥門泄漏等問題。

（5）高溫組合彈簧具有一定的密封性、良好的預(yù)緊彈力和良好的防渣性。

（6）球體和閥座密封面噴焊硬質(zhì)合金類材料，耐磨層厚，硬度高，冶金結(jié)合力好。

6 結(jié)語

進(jìn)口鎖渣閥價(jià)格昂貴，供貨周期長，零配件供應(yīng)不及時(shí)，維修不方便，一旦發(fā)生故障將造成生產(chǎn)停車，因此國內(nèi)有不少廠家進(jìn)行鎖渣閥國產(chǎn)化研發(fā)，并投入實(shí)際應(yīng)用；本文針對鎖渣閥的應(yīng)用工況，在研發(fā)過程中僅對中分式鎖渣閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了建議，供大家進(jìn)行探討，該閥生產(chǎn)過程中的加工方法及工藝也十分重要，只有兩者完美結(jié)合，才能生產(chǎn)出高質(zhì)量的鎖渣閥。

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