呂 昭，賈慧靈

（1.內(nèi)蒙古科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014017；2.國(guó)能包頭煤化工有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 包頭 014060）

0 引言

中國(guó)有著豐富的煤炭資源，到1999 年末，累計(jì)探明煤儲(chǔ)量為10018 億t，煤儲(chǔ)量占已探明的各種能源（煤炭、石油、天然氣及水電）總儲(chǔ)量的90%。充分利用儲(chǔ)量豐富的煤炭資源，大力開(kāi)發(fā)替代石油的技術(shù)，多元化降低能源風(fēng)險(xiǎn)，及早考慮能源的多樣化是普遍共識(shí)[1]。煤液化是一種針對(duì)我國(guó)“富煤貧油少氣”的能源結(jié)構(gòu)，有效解決能源利用效率低、污染嚴(yán)重的新型技術(shù)。煤直接液化是在高溫、高壓條件下通過(guò)加氫使煤中復(fù)雜的有機(jī)高分子結(jié)構(gòu)直接轉(zhuǎn)化為分子結(jié)構(gòu)較低的液體燃料，其有熱效率高、液體產(chǎn)品收率高的特點(diǎn)。世界首套百萬(wàn)噸級(jí)煤直接液化示范工程中的輸運(yùn)系統(tǒng)（閥門(mén)、管線、泵等設(shè)備）在含固多相流的沖蝕磨損下經(jīng)受著嚴(yán)重的考驗(yàn)。輸運(yùn)系統(tǒng)的“安、穩(wěn)、長(zhǎng)、滿(mǎn)、優(yōu)”運(yùn)行，是確保企業(yè)安全生產(chǎn)、取得最高效益的有力保障。

1 煤液化工藝及閥門(mén)狀態(tài)

煤直接液化（以下簡(jiǎn)稱(chēng)煤液化）工藝流程（詳見(jiàn)圖1 流程示意圖）中，柱塞式切斷閥103-UV2404A/B/C/D 分四路先后安裝于煤液化熱高壓分離器底部，用于切斷隔離高壓系統(tǒng)，閥門(mén)的性能直接影響裝置的安全生產(chǎn)，是整個(gè)項(xiàng)目的核心關(guān)鍵閥門(mén)。由于煤液化裝置工藝流程復(fù)雜，生產(chǎn)連續(xù)性強(qiáng)，柱塞長(zhǎng)期處于高溫、高壓、臨氫及含固的苛刻工況下，固態(tài)物料在閥流道內(nèi)沉積、磨損和沖刷，造成閥門(mén)密封困難，導(dǎo)致閥芯、閥座、套筒產(chǎn)生磨損。這些閥內(nèi)件的磨損失效問(wèn)題，直接影響閥門(mén)的密封性能和殼體承壓邊界的可靠性，縮短了閥門(mén)的使用壽命，嚴(yán)重制約著裝置的本質(zhì)安全。

圖1 神華煤直接液化工藝流程示意圖

2 柱塞式切斷閥的失效機(jī)理及影響因素分析

2.1 柱塞閥失效機(jī)理

2.1.1 氣蝕和閃蒸

液體介質(zhì)（P1）在閥芯處節(jié)流時(shí)，由于靜壓（P2）降低到液體的飽和蒸氣壓（PV）以下而使液體發(fā)生汽化的現(xiàn)象稱(chēng)為空化，介質(zhì)流經(jīng)閥座后，如果靜壓（P2）恢復(fù)到大于液體的飽和蒸氣壓（PV）時(shí)，原先空化的蒸氣又恢復(fù)成液體狀態(tài)，氣泡破裂會(huì)釋放巨大的能量[3]，會(huì)引起噪音、振動(dòng)，導(dǎo)致閥內(nèi)件破壞，這一現(xiàn)象稱(chēng)為氣蝕。如果靜壓（P2）不能恢復(fù)到液體的飽和蒸氣壓（PV），則流出的氣-液混合物，將對(duì)閥門(mén)出口側(cè)產(chǎn)生嚴(yán)重的沖刷和噪音，這一現(xiàn)象稱(chēng)為閃蒸。

根據(jù)氣蝕和閃蒸的定義，調(diào)節(jié)閥中發(fā)生氣蝕和閃蒸需滿(mǎn)足如下條件：

（1）氣蝕條件

①閥門(mén)入口和出口的介質(zhì)必須全都是液體，即調(diào)節(jié)閥的安裝位置的管道上下游附近沒(méi)有蒸氣存在；

②閥門(mén)入口介質(zhì)必須是一種過(guò)冷狀態(tài)；

③閥門(mén)出口壓力必須是液體蒸氣壓或者是高于液體蒸氣壓。

（2）閃蒸條件

①閥門(mén)入口介質(zhì)必須全都是液體，且在出口端必定存在若干蒸氣；

②閥門(mén)入口流體可以是飽和的或是過(guò)冷狀態(tài)；

③閥門(mén)出口壓力必須等于或低于液體的蒸氣壓。

由于氣蝕和閃蒸都會(huì)使得閥門(mén)出現(xiàn)極強(qiáng)的破壞并對(duì)閥內(nèi)件造成損壞，其兩者產(chǎn)生的結(jié)果都將降低閥門(mén)壓力降轉(zhuǎn)變?yōu)橘|(zhì)量流量的能力，影響閥門(mén)流量的調(diào)節(jié)。但兩者在損壞表征形式和機(jī)理上有所差異，一般氣蝕損壞具有煤渣似的粗糙外形的特點(diǎn)。

2.1.2 磨損

按磨損的形式不同，可分為顆粒磨損、氣蝕磨損、腐蝕磨損、沖擊磨損。

（1）顆粒磨損：比閥內(nèi)件硬的顆粒物夾帶在高速流體中沖擊并沖刷閥內(nèi)件的金屬，導(dǎo)致閥芯、閥座結(jié)合面在啟閉中出現(xiàn)的嚴(yán)重磨損。

（2）氣蝕磨損：高速的帶壓流體在節(jié)流后壓力降至該液體的飽和蒸氣時(shí)，將在壁面附近形成氣泡。當(dāng)氣泡流動(dòng)到液體壓力超過(guò)氣泡壓力處，氣泡破裂瞬間產(chǎn)生巨大沖擊力，閥內(nèi)件在這種反復(fù)沖擊力的作用下，表面發(fā)生材料疲勞脫落，閥內(nèi)件表面出現(xiàn)小凹坑。

（3）腐蝕磨損：材料表面與周?chē)橘|(zhì)發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)而生成各種反應(yīng)生成物，在此過(guò)程中，表層材料被不斷帶走和脫落，最終造成的磨損。

（4）沖擊磨損：因高速流體的噴射，引起局部材料表面損失或剝落的現(xiàn)象。

2.1.3 疲勞損壞

疲勞損壞在零部件的失效形式中相當(dāng)普遍，根據(jù)損壞機(jī)制不同，疲勞損壞可分為疲勞磨損和整體疲勞破壞兩類(lèi)。

疲勞磨損通常是指接觸疲勞磨損，主要是由于零部件承受交變的周期性接觸載荷或者承受交變應(yīng)力而產(chǎn)生的。

整體疲勞損壞則是結(jié)構(gòu)件在受外力作用過(guò)程中，由于外界作用力過(guò)大或循環(huán)次數(shù)過(guò)多，超過(guò)了自身的強(qiáng)度極限或疲勞強(qiáng)度極限而發(fā)生整體塑性變形或疲勞斷裂的情況。

熱高分下原高溫高壓柱塞式由德國(guó)SCHUF 廠家制造，閥門(mén)經(jīng)過(guò)10 多年的使用，存在閥內(nèi)件嚴(yán)重磨損、內(nèi)漏、閥體材質(zhì)劣化、應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂和承壓邊界薄弱等問(wèn)題，已對(duì)煤液化裝置的平穩(wěn)運(yùn)行產(chǎn)生威脅（圖2）。

圖2 柱塞閥閥體蛛網(wǎng)狀裂紋及內(nèi)件磨損

3 設(shè)計(jì)工況下應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值分析

對(duì)柱塞式切斷閥的應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算，首先將溫度場(chǎng)中的模型，導(dǎo)入應(yīng)力場(chǎng)中，對(duì)于其設(shè)置應(yīng)力場(chǎng)的相關(guān)約束和邊界條件。其次對(duì)其應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算，圖3（a）為設(shè)計(jì)工況下閥門(mén)的應(yīng)力場(chǎng)云圖，由內(nèi)壓產(chǎn)生的最大應(yīng)力為359.5 MPa，大于材料的許用應(yīng)力值。因此需要進(jìn)行應(yīng)力線性化確認(rèn)閥門(mén)最大應(yīng)力處的應(yīng)力強(qiáng)度是否滿(mǎn)足要求。線性化路徑如圖3（b）所示。

圖3 線性化數(shù)據(jù)圖

應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算結(jié)果判斷準(zhǔn)則應(yīng)滿(mǎn)足：Pm≤Smt；PL+Pb≤KSm；PL+Pb/Kt≤St。通過(guò)查詢(xún)ASME III D5-2017 查得482 ℃下Smt為107 MPa，Sm值為107 MPa，St值為141 MPa。評(píng)定結(jié)果結(jié)果顯示閥門(mén)的閥芯打開(kāi)部分應(yīng)力強(qiáng)度不滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

考慮到上文設(shè)計(jì)中的應(yīng)力場(chǎng)結(jié)構(gòu)計(jì)算存在問(wèn)題，且由于晶體結(jié)構(gòu)粗大松散。故對(duì)其閥體的材料進(jìn)行更換為A182 F347 鍛造材質(zhì)，并對(duì)前期設(shè)計(jì)的閥體按照更換后材料的強(qiáng)度進(jìn)行理論校核，其結(jié)果表明設(shè)計(jì)閥體能夠滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，并且遠(yuǎn)小于許用應(yīng)力值。

4 柱塞式切斷閥材料表面硬化研究

根據(jù)文獻(xiàn)資料[7]闡述，較硬的材料經(jīng)受足夠時(shí)間的氣蝕作用后，材料仍未出現(xiàn)明顯損傷現(xiàn)象，而普通較軟的材質(zhì)，在經(jīng)受氣蝕作用幾秒內(nèi)就會(huì)出現(xiàn)微觀的凹痕，據(jù)此針對(duì)柱塞式切斷閥的內(nèi)件材料選擇時(shí)，應(yīng)選擇高硬度材料以此延長(zhǎng)耐氣蝕和耐磨時(shí)間。但根據(jù)之前柱塞式切斷閥的歷次檢修情況來(lái)看，即使閥座、閥芯全部采用了高硬度材料的WC 硬質(zhì)合金，閥門(mén)使用壽命仍為一般，因此本次優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)綜合考慮制造成本與實(shí)際的可操作性，采用先進(jìn)的表面硬化工藝提高零件表面耐氣蝕和耐磨損能力，最終達(dá)到延長(zhǎng)調(diào)節(jié)閥使用壽命的目的。針對(duì)柱塞式切斷閥的特殊工況，為解決閥門(mén)耐磨損、耐沖蝕等問(wèn)題，可采用火焰重熔、激光熔覆、超音速火焰噴涂等工藝手段，達(dá)到材料表面硬化的目的。

4.1 火焰重熔

火焰重熔是工件在預(yù)熱的基礎(chǔ)上將自熔性合金粉末均勻噴涂在工件表面然后利用氧-乙炔焰產(chǎn)生的熱量（800 ℃～ 1200 ℃）使合金粉末與工件母材相互熔敷，相互擴(kuò)散，相互滲透而形成一種組織結(jié)構(gòu)致密，牢固的冶金結(jié)合層。通過(guò)火焰重熔消除了噴涂層中氣孔和氧化物夾渣，并與金屬基體產(chǎn)生冶金結(jié)合，從而大幅度提高致密性和結(jié)合強(qiáng)度，使硬化層有更優(yōu)的耐磨損和抗沖擊性能[5]。

試驗(yàn)采用火焰重熔工藝，試驗(yàn)選取4 種基材試塊各1 件，試塊規(guī)格為75 mm × 50 mm × 10 mm（長(zhǎng)×寬×厚），試塊重熔用粉末為鎳含量未64.88%、鎢含量未4.98%的鎳基碳化鎢（Ni-WC）。檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 火焰重熔硬化檢測(cè)結(jié)果

4.2 激光熔覆

激光熔覆是用高能量密度的激光束將合金粉末涂層與工件表面一薄層同時(shí)熔化，并快速凝固后形成稀釋度極低并與基體材料成冶金結(jié)合的表面涂層，從而顯著改善基體材料表面的耐磨損、耐腐蝕性能。按粉末的添加方式不同，激光熔覆的工藝可分為粉末預(yù)置法和同步送粉法兩種，其兩者的區(qū)別在于粉末預(yù)置法是將粉末通過(guò)噴涂或粘結(jié)的方法預(yù)置于基體表面再經(jīng)激光束輻射進(jìn)行重熔，而同步送粉法是將粉末直接噴在激光輻射所形成的移動(dòng)熔池上，涂層一次性成型[4]。

試驗(yàn)采用激光熔覆工藝，試驗(yàn)選取4 種基材試塊各1 件，試塊規(guī)格為75 mm × 50 mm ×10 mm（長(zhǎng)×寬×厚），試塊重熔用粉末為鎳含量未61.15%、鎢含量未8.1%的鎳基碳化鎢（Ni-WC）。硬化結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 激光熔覆硬化檢測(cè)結(jié)果

4.3 超音速火焰噴涂

超音速火焰噴涂是利用可燃?xì)猓ㄈ鐨錃狻⒈榛虮┗蛞后w燃料（如航空煤油）等與氧氣混合，在燃燒室點(diǎn)燃，劇烈膨脹的氣體受?chē)娮斓募s束形成超音速高溫火焰流（焰流速度2～ 5 馬赫），粉末沿燃燒室軸心由惰性氣體（如氮?dú)猓┧腿?，受到加熱與加速后噴出至工件表面[6]。由動(dòng)量定理可知，粒子速度越快，動(dòng)量越大，沉積時(shí)的沖量越大；粒子速度越快，粒子對(duì)基體的撞擊作用越強(qiáng)，粒子變形越充分，基體與顆粒之間的連接就緊密，故超音速?lài)娡抠|(zhì)量取決于設(shè)備的噴涂速度。超音速火焰噴涂可分為超音速氧氣火焰噴涂（HVOF）和超音速空氣火焰噴涂（HVAF）兩種，其兩者的區(qū)別在與助燃?xì)怏w的不同，前者為純氧，后者為壓縮空氣[7]。

試驗(yàn)采用超音速氧氣火焰噴涂工藝，見(jiàn)表3。試驗(yàn)選取4 種基材試塊各2 件，試塊規(guī)格為75 mm ×50 mm × 10 mm（長(zhǎng)×寬×厚），試塊重熔用粉末為鎢含量80.72%、鉻含量未4%的碳化鎢（WC-10Co-4Cr）。

表3 超音速?lài)娡抗に囋囼?yàn)

4.4 硬化結(jié)果分析

從3 組試驗(yàn)比較發(fā)現(xiàn)，可以得出如下結(jié)果：

（1）對(duì)比代號(hào)1A、1B、1C、1D 得出，對(duì)于基材為F6a CL2（馬氏體不銹鋼），采用火焰重熔和激光熔覆會(huì)導(dǎo)致硬化層開(kāi)裂。當(dāng)采用F6a CL2 作為閥門(mén)密封面材料時(shí)，應(yīng)盡量采用超音速?lài)娡坑不に嚒?/p>

（2）對(duì)比3 種硬化方式得出，超音速火焰噴涂對(duì)基材材質(zhì)可不做要求，而火焰重熔、激光熔覆則對(duì)基材材質(zhì)有要求。當(dāng)要求涂層結(jié)合方式為冶金結(jié)合時(shí)，選用閥門(mén)密封面材料必須要考慮基材能否進(jìn)行火焰重熔或激光熔覆。

5 切斷閥基材和硬化方式選擇

5.1 閥座基材和硬化方式的選擇

從改進(jìn)方案的數(shù)值模擬結(jié)果可知，閥座第二級(jí)密封面及下游喇叭口區(qū)域處存在氣蝕、閃蒸和嚴(yán)重的磨損問(wèn)題，故閥座材料的選擇需重點(diǎn)考慮其硬度，目前已知WC 燒結(jié)技術(shù)是制備高硬度零件主要方式方法，故閥座的制備亦可采用此技術(shù)方法。改進(jìn)方案中閥座結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可實(shí)現(xiàn)燒結(jié)和后續(xù)加工成型，其通過(guò)燒結(jié)制備的WC 閥座硬度可達(dá)莫氏硬度九級(jí)，其硬度僅次于金剛石。

5.2 閥芯基材和硬化方式的選擇

從改進(jìn)方案的數(shù)值模擬結(jié)果可知，閥芯第二級(jí)密封面及閥芯小頭區(qū)域存在氣蝕和磨損問(wèn)題，但由于閥芯為運(yùn)動(dòng)部件在介質(zhì)的作用力下易發(fā)生抖動(dòng)，若同樣采用燒結(jié)工藝制備閥芯的話，則閥芯容易發(fā)生脆斷失效。柱塞式切斷閥的主體材質(zhì)為奧氏體不銹鋼347 材質(zhì)，其具有良好的耐高溫和耐腐蝕性能，且其機(jī)械性能優(yōu)良，故可選用奧氏體不銹鋼347 材質(zhì)作為閥芯的基材，再通過(guò)激光熔覆工藝對(duì)其密封面和閥芯小頭區(qū)域進(jìn)行熔覆Ni-WC 粉末，以提高其抗氣蝕和抗磨損能力。

5.3 襯套基材和硬化方式的選擇

從改進(jìn)方案的數(shù)值模擬結(jié)果可知，襯套區(qū)域壁面存在氣蝕和磨損情況，若仍采用奧氏體不銹鋼347材質(zhì)作為襯套的話，則由于奧氏體鋼的硬度值低，容易被氣蝕和磨損。為延長(zhǎng)襯套使用壽命，同樣可采用激光熔覆工藝對(duì)其襯套內(nèi)壁面進(jìn)行硬化處理。

6 總結(jié)

在對(duì)柱塞式切斷閥運(yùn)動(dòng)副高溫過(guò)程中的間隙理論進(jìn)行分析，使用有限元軟件得到間隙增加了0.20178 mm，表明了理論與仿真結(jié)果一致。根據(jù)上述分析結(jié)果，將柱塞閥運(yùn)動(dòng)副整體的公差由原來(lái)的0.1 mm提高至0.4 mm，動(dòng)作卡澀和導(dǎo)向桿拉傷的問(wèn)題得到明顯改善。同時(shí)針對(duì)柱塞式切斷閥的氣蝕和磨損問(wèn)題，提出通過(guò)優(yōu)化材料，提高零件表面硬度的方式增強(qiáng)材料的抗氣蝕和抗磨損能力。通過(guò)激光熔覆、火焰重熔、超音速?lài)娡咳N硬化工藝的對(duì)比試驗(yàn)，找到最佳的表面硬化的工藝方法，保障了閥門(mén)的密封性，為最終實(shí)現(xiàn)延長(zhǎng)柱塞式切斷閥的使用壽命提供理論依據(jù)。