曹海

(國(guó)家能源集團(tuán)神華煤制油化工有限公司鄂爾多斯煤制油分公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017209)

0 引言

煤直接液化工藝生產(chǎn)運(yùn)行過(guò)程中氣、液、固三相流幾乎貫穿工藝全過(guò)程，高溫、高壓、臨氫、含固、高流速的苛刻工況對(duì)閥門的選用提出了極高的要求，煤直接液化裝置煤漿管線閥門大多選用含固耐磨球閥，近年來(lái)該類球閥出現(xiàn)了開關(guān)卡澀、閥腔結(jié)焦、閥門內(nèi)漏、沖刷磨蝕等問(wèn)題，因此介紹耐磨球閥在煤直接液化工藝的應(yīng)用及失效分析對(duì)煤液化裝置長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行具有重大意義。

1 含固耐磨球閥在煤直接液化裝置應(yīng)用簡(jiǎn)介

煤直接液化工藝煤漿制備工段油煤漿固含量約40%～50%，工作溫度最高290 ℃，工作壓力最大1.5 MPa，主要應(yīng)用A類型固定球碟簧結(jié)構(gòu)耐磨球閥。

進(jìn)料、反應(yīng)和分餾工段為氣/液/固三相流物料，介質(zhì)中含氫氣、硫化氫、氯離子的腐蝕性介質(zhì)，工作溫度-20～538 ℃，工作壓力最大22 MPa，主要應(yīng)用M類型浮動(dòng)球碟簧結(jié)構(gòu)含固耐磨球閥。

分餾工段主要應(yīng)用H類型固定球柱簧結(jié)構(gòu)含固耐磨球閥及C類型夾套保溫固定球柱簧結(jié)構(gòu)含固耐磨球閥。

1.1 A類型含固耐磨球閥結(jié)構(gòu)形式及特點(diǎn)

A類型球閥為固定球結(jié)構(gòu)，金屬密封設(shè)計(jì)，閥體采用A105,閥座、閥球、閥桿材質(zhì)為鍛造高強(qiáng)度雙相不銹鋼，閥座與閥球采用等離子噴涂以及高溫?zé)崛厶幚淼挠不に嚕操|(zhì)涂層厚度600 μm，平均硬度達(dá)到63HRC,采用碟簧助力，閥座尾翼式刮刀設(shè)計(jì)，閥桿防噴，防靜電設(shè)計(jì)。閥桿密封為雙層密封設(shè)計(jì)， 閥桿上下部均有軸承套，有效消除了閥門在介質(zhì)的壓力下作用在閥桿上的不平衡力，以保護(hù)密封填料。彈簧加載閥桿密封，自動(dòng)補(bǔ)償由于介質(zhì)溫度壓力變化引起的閥桿密封比壓的變化。

圖1 A類型閥門結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 M類型含固耐磨球閥結(jié)構(gòu)形式及特點(diǎn)

M類型球閥為浮動(dòng)球結(jié)構(gòu)，金屬閥座分體式球閥，雙閥座，單球，浮動(dòng)設(shè)計(jì)采用單流向或雙流向結(jié)構(gòu)，閥體材料有A105、F347、F347H等。對(duì)于閥體材料為F347H 閥門，閥球和閥座材料均選用碳化鉻噴涂的Inconel718，對(duì)于碳鋼和低合金鋼，閥球和閥座材料選用410ss，外部HVOF噴涂碳化鉻，閥座邊緣鋒利，可對(duì)閥球自刮擦自清潔，碟簧材料為Inconel 718或X750(NACE)，閥桿材料采用NACE A638 GR.660，閥桿防脫出設(shè)計(jì)，閥桿的密封采用組合式防脫出環(huán)并且至少帶有兩個(gè)模制固體石墨填料環(huán)，帶有活裝載填料壓蓋。閥體墊片采用Inconel718或者Gr.660SS的壓緊徑向金屬環(huán)結(jié)構(gòu)，金屬環(huán)表面鍍金涂層。

1.3 H類型含固耐磨球閥結(jié)構(gòu)形式及特點(diǎn)

H類型球閥為三片式固定球柱簧結(jié)構(gòu)球閥，雙閥座，閥座采用柱簧作補(bǔ)償力，全通徑、雙流向、雙向密封，雙關(guān)斷帶泄放，防吹出閥桿設(shè)計(jì)，純金屬密封，防火設(shè)計(jì)，閥體材質(zhì)選用DIN 1.4470，閥球與閥座材質(zhì)選用DIN 1.4462，閥球與閥座表面均噴涂碳化鎢或碳化鉻，硬度值在62 HRC以上，柱簧材質(zhì)選用Inconel X750，閥座刮刀設(shè)計(jì)。

圖2 M類型閥門結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 H類型閥門結(jié)構(gòu)示意圖

1.4 C類型含固耐磨球閥結(jié)構(gòu)形式及特點(diǎn)

閥體材料ASTM A217 C12，球體、閥座表面采用超音速進(jìn)行噴涂，基體材料為304SS，表面噴涂碳化鎢+鈷，噴涂層的表面硬度大于70 HRC，涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度大于70 MPa，涂層的有效厚度為0.25～0.40 mm。雙閥座，閥座與閥體采用分離式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，閥座應(yīng)采用刮刀式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在球體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)能夠自動(dòng)刮除球體表面的沉積物，閥桿材料為17-4PH，采用防飛出設(shè)計(jì)，采用柱簧形式作為閥座補(bǔ)償力，柱簧材料Inconel X750，填料為柔性石墨，材料符合NACE MR0175標(biāo)準(zhǔn)的要求，夾套工作壓力1.0 MPa，夾套工作溫度350 ℃。

圖4 C類型閥門結(jié)構(gòu)示意圖

2 失效分析

2.1 閥門內(nèi)漏分析

2.1.1 閥球或閥座密封面磨蝕沖刷

煤直接液化苛刻工況對(duì)閥門耐磨耐沖刷性能要求極高，煤漿管線閥門全部選用耐磨球閥。如果球閥密封不良，含固介質(zhì)通過(guò)閥球與閥座密封面或者閥座與閥體接觸面，對(duì)閥球、閥座、碟簧及閥體造成磨蝕沖刷。閥門在全開和全關(guān)的瞬間，由于壓差大、流速高，對(duì)閥球及閥座邊緣造成一定的磨蝕沖刷，對(duì)于開關(guān)頻次高的球閥，極易造成刮刀設(shè)計(jì)失效，無(wú)法將閥球表面結(jié)焦物清理干凈，密封失效使閥球閥座磨蝕沖刷。

閥門長(zhǎng)時(shí)間停留在未全開或者未全關(guān)的狀態(tài)下，含固介質(zhì)高流速流通對(duì)閥球及閥座亦會(huì)造成磨蝕沖刷。

2.1.2 閥球表面硬化層剝離

耐磨球閥采用的表面硬化方法有等離子噴涂、超音速火焰噴涂、鎳基熱噴涂等[1]。硬化層的耐用性受噴涂材料、噴涂工藝、涂層厚度、涂層結(jié)合強(qiáng)度等影響，等離子噴涂或超音速噴涂主要通過(guò)耐磨粉末涂層與基體材料的高溫或高速碰撞而產(chǎn)生的物理結(jié)合，達(dá)不到經(jīng)噴涂融合工藝處理后過(guò)渡層所具備的冶金結(jié)合水平，結(jié)合強(qiáng)度較鎳基熱噴涂低，通常結(jié)合力在68～76 MPa左右，噴涂厚度一般在0.3 mm左右，煤直接液化高溫高壓部位球閥閥球表面附著堅(jiān)硬結(jié)焦物，在閥門操作過(guò)程中涂層存在隨結(jié)焦物被閥座刮刀刮蹭剝離的可能[2]。對(duì)于鎳基合金熱噴涂加熱溫度控制非常重要，溫度過(guò)低，基體材料與鎳基合金材料不能真正實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合，容易引起涂層剝離[2]。

2.1.3 閥座補(bǔ)償力失效

閥座采用碟簧或柱簧形作為補(bǔ)償力，在高溫、高溫、臨氫、含固工況下，碟簧或柱簧使用年限超過(guò)三年一般會(huì)出現(xiàn)不同程度的彈性下降現(xiàn)象，甚至完全失效，碟簧的主要失效形式有碟簧變形為扁平、反向、斷裂、磨蝕沖刷等。柱簧球閥在閥座與閥體之間的密封失效后，含固介質(zhì)進(jìn)入柱簧腔結(jié)焦，柱簧失效。閥座補(bǔ)償力失效后閥座刮刀設(shè)計(jì)失效，閥座與閥球密封面貼合不緊密，閥球表面粘結(jié)物無(wú)法被清理，導(dǎo)致閥門內(nèi)漏，在開關(guān)過(guò)程中閥球表面的粘結(jié)物極易劃傷閥座表面，長(zhǎng)時(shí)間密封不嚴(yán)介質(zhì)內(nèi)漏，造成密封面沖刷磨蝕。

2.1.4 閥門反向安裝

雙浮動(dòng)座因閥座有彈簧補(bǔ)償力的作用，閥座與閥球始終能保持緊密貼合，正反安裝都能保持密封。一側(cè)為固定閥座一側(cè)為浮動(dòng)閥座球閥，閥門反向安裝，閥球在固定座側(cè)介質(zhì)的推力下，浮動(dòng)座側(cè)彈簧被壓縮，固定座側(cè)閥球與閥座密封面分離，介質(zhì)通過(guò)進(jìn)入閥腔，當(dāng)閥腔達(dá)到一定壓力后，浮動(dòng)座在介質(zhì)的推力下彈簧被壓縮，閥球與閥座密封面分離，介質(zhì)通過(guò)進(jìn)入后路，閥門內(nèi)漏。

2.2 開關(guān)卡澀分析

2.2.1 閥腔含固煤漿沉積結(jié)焦

在閥門密封性能下降或失效后，介質(zhì)進(jìn)入閥腔，介質(zhì)中含有煤粉、催化劑等固體顆粒以及溶劑油，煤粉及催化劑等固體顆粒在閥腔中沉積，溶劑油有一定的黏性，將沉積的固體顆粒粘結(jié)成塊，造成閥門開關(guān)卡澀。反應(yīng)及分餾工段介質(zhì)黏度大且組成復(fù)雜，其中含有大量無(wú)機(jī)鹽、瀝青質(zhì)和非烴化合物，灰分、瀝青質(zhì)含量較高，高溫下易發(fā)生縮合反應(yīng)形成較硬的結(jié)焦物粘結(jié)在閥球、閥座表面，將閥腔與閥體粘結(jié)，導(dǎo)致閥門無(wú)法開關(guān)或開關(guān)卡澀。

2.2.2 閥球表面結(jié)焦

結(jié)焦物粘結(jié)在閥球表面，開關(guān)過(guò)程中閥座對(duì)閥球表面結(jié)焦物進(jìn)行刮刀式清理，因粘結(jié)力大，造成開關(guān)卡澀。

2.2.3 閥座彈簧結(jié)焦失效

結(jié)焦物進(jìn)入彈簧腔體，彈簧失效，閥座無(wú)法壓縮彈簧，造成開關(guān)卡澀。

2.3 閥門外漏分析

閥門外漏主要為閥門中體法蘭及填料外漏，在介質(zhì)溫度大幅波動(dòng)的情況下，容易導(dǎo)致中體及填料壓蓋螺栓松動(dòng)，發(fā)生外漏。含固介質(zhì)對(duì)填料磨蝕嚴(yán)重，在運(yùn)行初期若發(fā)現(xiàn)填料滲漏應(yīng)及時(shí)進(jìn)行緊固或維修，否則易造成磨蝕泄漏事件發(fā)生。閥門長(zhǎng)期在高溫狀態(tài)下使用，填料老化變硬，密封性能下降，導(dǎo)致外漏。

2.4 連接部件損壞分析

由于含固耐磨球閥的運(yùn)行工況苛刻，易結(jié)焦沉積，閥門的扭矩較大，開關(guān)過(guò)程中受力較大，易導(dǎo)致銷釘、傳動(dòng)裝置、閥桿、支架、閥球的損壞。

3 應(yīng)對(duì)措施

針對(duì)煤直接液化裝置嚴(yán)苛工況下含固耐磨球閥在使用過(guò)程中的失效形式，公司與國(guó)內(nèi)閥門企業(yè)合作，在深入研究國(guó)外同類產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，對(duì)閥門的材料選擇、冶煉、鍛造工藝、結(jié)構(gòu)、制造工藝及專用設(shè)備、試驗(yàn)檢驗(yàn)技術(shù)手段等方面進(jìn)行了全面的研究攻關(guān)，并取得了突破性成果，針對(duì)球體和閥座密封面磨蝕沖刷及硬化層剝離問(wèn)題提出了“鎳基合金+CrC耐磨材料+超音速噴涂+重熔”的表面硬化處理方法，使得閥門的耐磨性及抗剝蝕性能得到了較大提升，開發(fā)了360°逐步鏡面配磨工藝技術(shù)及專用設(shè)備，提升了閥門維修可靠性，通過(guò)結(jié)構(gòu)改進(jìn)和密封材料革新有效解決了進(jìn)口球閥密封不嚴(yán)和泄漏的問(wèn)題[3]。

4 結(jié)語(yǔ)

在煤直接液化工藝高溫、高壓、臨氫、含固、高流速的苛刻工況下，不同類型的耐磨球閥有不同的應(yīng)用，閥門的失效形式多種多樣，其中密封性能是否完好對(duì)煤直接液化裝置安全穩(wěn)定運(yùn)行起著關(guān)鍵作用，經(jīng)過(guò)多年來(lái)研究攻關(guān)，耐磨球閥在煤直接液化工藝應(yīng)用的可靠性達(dá)到了大幅提升。