付 豪,母文豪

(1.艾坦姆流體控制技術(shù)(北京)有限公司， 北京 101300;2.艾坦姆流體控制技術(shù)(山東)有限公司， 山東濟(jì)寧 272000)

在煤制甲醇、煤制乙烯、煤制合成氨等領(lǐng)域，水煤漿氣化工藝促進(jìn)了煤化工產(chǎn)業(yè)的量產(chǎn)化、經(jīng)濟(jì)化。在水煤漿氣化工藝中，除了閃蒸罐作為合成轉(zhuǎn)換的核心裝置外，氣化爐與洗滌塔內(nèi)的黑水調(diào)節(jié)閥也是不可缺少的組成部分。黑水調(diào)節(jié)閥的長期穩(wěn)定運(yùn)行影響整體裝置的持續(xù)生產(chǎn)，但在嚴(yán)苛工況下，黑水調(diào)節(jié)閥使用壽命極短[1]。

1 黑水工況分析

黑水閃蒸系統(tǒng)承接來自氣化爐、洗滌塔、閃蒸罐的流體、液位調(diào)節(jié)任務(wù)[2-3]。

黑水是水煤漿氣化過程中產(chǎn)生的伴生產(chǎn)物,需要對其進(jìn)行回收提純與二次利用[4]。

黑水典型的介質(zhì)為固液兩相流，其中，固相質(zhì)量濃度可高達(dá)3 000 mg/L。伴隨多次回收沉降，固體顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%以上，且顆粒直徑與形狀不均勻[4]。

根據(jù)節(jié)流原理，當(dāng)介質(zhì)流過調(diào)節(jié)閥內(nèi)部縮流斷面，壓力回升不超過入口溫度下的飽和蒸氣壓時，流體介質(zhì)將會繼續(xù)汽化，在調(diào)節(jié)閥出口形成氣液共存的現(xiàn)象，即閃蒸。由于黑水調(diào)節(jié)閥的主要作用就是對介質(zhì)進(jìn)行減壓調(diào)節(jié)，這必然會發(fā)生閃蒸現(xiàn)象，汽化后的黑水流體體積急劇膨脹，與流入調(diào)節(jié)閥前的黑水形成了固液氣三相流。

(6)花崗巖類殘坡積物：在北西部徐家老屋及胡公山一帶分布，地貌類型為低山區(qū)，主要出露石英正長斑巖、二長花崗巖、角閃二長巖等。淀積層一般呈酸性，風(fēng)化后一般成粗骨土，土質(zhì)疏松，砂礫含量大。

2 黑水工況產(chǎn)生的危害

固液氣三相流伴隨高壓差、高流速、強(qiáng)腐蝕、強(qiáng)沖擊，黑水調(diào)節(jié)閥的工況可謂是極其惡劣。

2.1 固相方面

由于固相含量高、顆粒硬度大，在高壓差、高流速的條件下，固體顆粒成為調(diào)節(jié)閥設(shè)計(jì)的首要難點(diǎn)。首先，高速沖擊下的固體顆粒會撞擊流體通路上阻礙前進(jìn)的零件，比如閥芯、閥座、閥桿等。這部分起調(diào)節(jié)功能的零件由于其加工材料、原材料二次處理的方式、抵抗沖擊的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致在其表面產(chǎn)生凹坑、刮傷、裂紋。這些因固體顆粒沖擊造成的缺陷，會隨著液體閃蒸、空化的影響，再次侵蝕零件，直至零件破碎、彎曲、折斷。

其次，固體顆粒經(jīng)過管道內(nèi)壁、閥體內(nèi)腔時，由于阻塞流或者管道轉(zhuǎn)彎、閥腔轉(zhuǎn)向過程中突然改變方向，固體顆粒伴隨液體在慣性作用下，沖擊內(nèi)壁，造成管道和閥體刮傷、劃痕、異響。方向的改變也會影響局部介質(zhì)的流速，產(chǎn)生渦流、湍流，造成管道、閥腔產(chǎn)生振動、噪聲。

再次，固體顆粒產(chǎn)生沉降問題。固體顆粒細(xì)小，極易發(fā)生沉降、結(jié)垢現(xiàn)象，易堆積在調(diào)節(jié)閥內(nèi)腔死角，以及閥芯、閥座、閥桿表面，特別是用于穩(wěn)定閥桿、減少震動的閥桿導(dǎo)向區(qū)域。為保證閥桿與導(dǎo)向的穩(wěn)定，兩者的間隙不會留太大，同時閥桿會隨閥門啟閉上下運(yùn)動，必然會將固體顆粒帶到閥桿與導(dǎo)向之間的間隙中，這就會導(dǎo)致閥桿與導(dǎo)向卡死，加劇閥桿與導(dǎo)向表面的磨損，最終影響閥桿的穩(wěn)定作用。同時，也會因?yàn)閷?dǎo)向穩(wěn)定作用的減弱，使得閥芯在液體沖擊下產(chǎn)生振動，與閥座產(chǎn)生碰撞，造成閥芯與閥座的二次傷害。由于閥桿表面的磨損與刮傷，也會影響調(diào)節(jié)閥上部填料與閥桿密封的效果，造成黑水外漏、有毒氣體逸散等嚴(yán)重事故。

2.2 液相方面

由于黑水閃蒸系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)閥面對的是高壓差工況，因此黑水液相是檢驗(yàn)調(diào)節(jié)閥強(qiáng)度的重要組成部分。由于在高壓差工況下，為了減少閥門啟閉，在閥腔內(nèi)設(shè)置用于平衡閥芯與閥桿上下兩側(cè)壓力的平衡區(qū)。液體在高壓作用下，會沖擊調(diào)節(jié)閥腔內(nèi)部的平衡區(qū)域，流道形狀若不能對流體產(chǎn)生疏導(dǎo)、轉(zhuǎn)向、減速作用，則會加大閥腔內(nèi)隔板的壓力承載，導(dǎo)致閥腔出現(xiàn)裂紋、貫通等現(xiàn)象。

同時，黑水液體的沖擊也會直接影響閥內(nèi)零件的強(qiáng)度，導(dǎo)致閥內(nèi)零件產(chǎn)生振動、磨損、彎曲，從而降低閥門穩(wěn)定性、調(diào)節(jié)精度、安全性。

2.3 氣相方面

黑水調(diào)節(jié)閥面臨高壓差工況，閃蒸與空化無法避免。汽化后的黑水流體體積急劇膨脹，對閥芯表面、閥座密封面、閥門出口處的文丘里擴(kuò)口延伸管或管道產(chǎn)生沖擊，甚至造成零件表面破碎與管道破損。同時，也會導(dǎo)致管道及下游工藝設(shè)備管口產(chǎn)生振動。

固液氣三相流混合工況，使得黑水調(diào)節(jié)閥的使用壽命非常短，僅為1～3個月。設(shè)計(jì)者的能力是調(diào)節(jié)閥使用壽命的關(guān)鍵，下文將對各種問題提出指導(dǎo)性的解決方法。

3 解決方案

3.1 調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)類型

(a) 直通式

(b) 角式圖1 調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)模型

在對黑水進(jìn)行調(diào)節(jié)時直通式調(diào)節(jié)閥需要進(jìn)行2次急轉(zhuǎn)向，并且固體顆粒易沉降在管道與轉(zhuǎn)向處底部。而具有平滑轉(zhuǎn)向、不易沉降的角式，其結(jié)構(gòu)能夠很好地引導(dǎo)介質(zhì)流動。閥門打開時，介質(zhì)幾乎不受任何阻力就可以流出調(diào)節(jié)閥，最大限度減少介質(zhì)對調(diào)節(jié)閥的沖擊。

3.2 固體顆粒沖擊零件

閥內(nèi)零件直接暴露在流體通路中，固體顆粒直接沖擊作用下，大幅降低零件的使用壽命，見圖2。

圖2 優(yōu)化前沖擊示例

3.2.1 強(qiáng)化零件

零件的材料材質(zhì)及結(jié)構(gòu)尺寸決定了其使用壽命。加粗調(diào)節(jié)閥閥桿，并在關(guān)鍵沖擊點(diǎn)噴涂硬質(zhì)合金，以提升零件的使用壽命。

3.2.2 優(yōu)化介質(zhì)流動

對介質(zhì)流動進(jìn)行疏導(dǎo)，或者對零件的流動結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，避免零件直接承受沖擊，見圖3。

圖3 優(yōu)化后沖擊示例

在流體進(jìn)入閥芯之前，通過流道彎曲將其引導(dǎo)至與閥芯形成一定角度，大幅弱化對閥芯徑向的沖擊，同時也可減少震動，保證閥門穩(wěn)定運(yùn)行。閥內(nèi)零件可具有一定角度、弧度，減少突起、臺階凹槽等可能影響流體流動并加劇沖蝕的結(jié)構(gòu)。

3.3 固體顆粒沉積

細(xì)小的固體顆粒易堆積在調(diào)節(jié)閥內(nèi)腔死角或結(jié)痂在閥芯、閥座、閥桿表面，導(dǎo)致流通受阻，見圖4。

圖4 優(yōu)化前沉積示例

3.3.1 減少沉積位置

將閥腔與零件設(shè)計(jì)成與液體流向一致的結(jié)構(gòu)，與閥腔路徑形成整體的流線型，主動減少閥腔的靜態(tài)死角、零件易沉積的臺階等結(jié)構(gòu)。流體在流動過程中可自發(fā)地將固體顆粒帶出閥腔內(nèi)部(見圖5)，有助于減少固體顆粒沉積，改善閥腔結(jié)構(gòu)的流通能力。

圖5 優(yōu)化后沉積示例

3.3.2 疏導(dǎo)沉積

在溫度、溶質(zhì)、壓力等因素下，固體顆粒會附著于閥腔與零件表面，需要對閥腔結(jié)構(gòu)與零件表面設(shè)置靜態(tài)疏導(dǎo)結(jié)構(gòu)。閥腔內(nèi)部易沉積位置設(shè)計(jì)排污口，通過曲面、傾斜、凹坑等結(jié)構(gòu)，利用重力引導(dǎo)固體顆粒向排污口聚集，也可以利用流體沖刷沉積位置以達(dá)到輔助清理的作用(見圖6)。

圖6 優(yōu)化后沉積疏導(dǎo)示例

在零件表面,用溝槽、環(huán)槽等結(jié)構(gòu)引導(dǎo)附著的固體顆粒，防止過渡配合導(dǎo)致固體顆粒的侵入而卡死，見圖7。

圖7 零件優(yōu)化后沉積疏導(dǎo)示例

對于需要小配合的導(dǎo)向部分來說，固體顆粒附著與配合表面無法避免，可以選擇螺旋環(huán)槽+豎直溝槽將部分附著與配合表面的固體顆粒掛下，已經(jīng)進(jìn)入配合表面的固體顆粒受液體沖刷及重力作用下順環(huán)槽排出，減少故障卡死幾率。環(huán)槽和溝槽形狀可與流體通路配合以輔助排出固體顆粒。

3.4 液體腐蝕

在設(shè)計(jì)黑水調(diào)節(jié)閥時，應(yīng)充分考慮流體介質(zhì)的腐蝕性與固體顆粒的沖刷性。

對于運(yùn)輸作用大于承壓作用的基礎(chǔ)管道，可使用含碳量較低的耐腐蝕碳鋼或不銹鋼材質(zhì)，其中易沖刷的重點(diǎn)部位如彎頭、變徑法蘭處使用不銹鋼基底并堆焊或噴涂的方式加強(qiáng)管道的耐沖刷與耐腐蝕性能。

對于承壓作用大于調(diào)節(jié)作用的黑水調(diào)節(jié)閥，可使用抗腐蝕、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高的奧氏體不銹鋼或者雙相不銹鋼材質(zhì)，其中在流體轉(zhuǎn)向、密封等主要沖刷點(diǎn)增加局部厚度，保證腐蝕余量，提高可靠性。

3.5 液體沖擊

黑水介質(zhì)的主體是流體，因此閥腔內(nèi)部流道的形狀、結(jié)構(gòu)影響閥體的壓力恢復(fù)系數(shù)，是保證閥體穩(wěn)定性與安全性的關(guān)鍵。

不合理的流道設(shè)計(jì)(見圖8)會使內(nèi)墻部分隔板承受不必要的沖擊，流道內(nèi)部轉(zhuǎn)向僵硬；過渡部分中無用的溝槽會使流體在流動過程處于紊亂的狀態(tài)，導(dǎo)致閥腔內(nèi)部產(chǎn)生渦流和紊流，沖擊閥芯、閥腔，引起震動。

圖8 優(yōu)化前液體沖擊、渦流示例

參考固體顆粒沉積的位置，改善流道的流暢程度，讓液體沒有阻礙地流出閥體是流道設(shè)計(jì)的重點(diǎn)?？稍黾恿鞯阑亓?、分流能力，讓閥體內(nèi)腔能夠均勻承載液體壓力，并減少閥芯單側(cè)的壓力，有助于穩(wěn)定閥芯(見圖9)。

圖9 優(yōu)化后液體沖擊、渦流示例

3.6 應(yīng)對空化和閃蒸

黑水調(diào)節(jié)閥在閥門出口處需要應(yīng)對高壓差帶來的液體汽化以及體積膨脹所造成的空化效果，會對閥座出口及下游管道產(chǎn)生嚴(yán)重沖刷。此時結(jié)構(gòu)性設(shè)計(jì)能夠起到的作用比較有限，只能考慮其他的方法改善出口條件。

目前可行的方法是在內(nèi)部閥座出口處加裝文丘里擴(kuò)徑管，加長文丘里擴(kuò)徑長度，將空化現(xiàn)象控制在高強(qiáng)度的文丘里管內(nèi)，保護(hù)下游管道及設(shè)備。

由于閃蒸無法避免，可以通過噴涂或通體硬質(zhì)合金增強(qiáng)閥座、閥芯、文丘里管處局部結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。另外,可以在文丘里管后加裝大口徑緩沖罐，以及在下游管道加厚或者堆焊、噴涂硬質(zhì)合金等耐磨材料。

應(yīng)在鋪設(shè)管線階段前考慮黑水調(diào)節(jié)閥出口處的高頻振動與噪聲帶來的影響，需增強(qiáng)管道支撐設(shè)計(jì)及防震措施。

4 結(jié)語

黑水調(diào)節(jié)閥作為煤化工設(shè)計(jì)中苛刻工況的代表，考驗(yàn)設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)水平與經(jīng)驗(yàn)。設(shè)計(jì)者需要從成本、效果、使用3個方向?qū)ふ移胶恻c(diǎn)，為閥門的“長治久安”打下良好的基礎(chǔ)。