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高压差放空调节阀的故障分析及滑板阀的应用

发布时间:2017-01-10

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摘 要:为解决Shell煤气化粉煤给料仓高压差放空阀使用中存在阀内件、阀后壳体冲蚀及阀门卡涩外漏的问题,对比了笼式调节阀、偏心旋转阀的结构,分析了其在线使用中出现故障的原因。介绍了滑板阀的结构、工作原理及特点,应用结果表明,在粉煤给料仓高压差放空调节工位使用滑板阀,可减少流体介质对阀门的冲蚀,延长阀门的使用寿命。 关键字:Shell煤气化 粉煤给料仓 高压差放空调节阀 笼式调节阀 偏心旋转阀 滑板阀 Shell煤气化粉煤给料仓的高压差放空调节工位,目前大多使用笼式调节阀、偏心旋转阀来控制仓内压力。介质为气固两相流,由于操作压差大、冲刷极强,普遍存在着阀门使用寿命短的问题。滑板阀作为一种新型的调节阀,通过特殊的结构设计和材料选用,较好地解决了该工位阀门使用寿命短的问题,为系统连续可靠运行提供了保证。

1 阀门使用的工况

典型的Shell煤气化粉煤给料仓工况:介质为N2 煤粉;温度80℃;入口压力4.8MPa(A),出口压力0.12MPa(A),阀门关闭压差5.72MPa;管道DN80mm,最大流量6254.4m3/h。 此工位调节阀压力从4.8MPa放空到接近大气压,流量高、流速极快(通过计算机有限元分析模拟,极限流速可达884m/s),介质中的煤粉颗粒对阀内件、阀后壳体及管道产生严重冲刷,甚至直接冲穿下游管道,存在很大的安全隐患。 若要保证阀门长期可靠运行,必须克服以下两个问题:(1)调节阀内件及阀后壳体的耐冲刷问题。(2)因物料堆积阀中腔及阀杆填料处,造成的阀门卡涩及外漏的问题。

2 目前应用的调节阀故障原因分析

2.1 笼式调节阀 某品牌笼式调节阀结构示意图见图1。 1—阀体2—阀芯3—阀座4—阀笼 该笼式调节阀阀体采用不锈钢,阀芯密封面与阀座内壁堆焊钴铬钨硬质合金(硬度约HRC40),基材均选用普通不锈钢。 该笼式调节阀在河南某Shell煤气化项目中使用1个月后,阀笼内的节流孔被完全破坏,阀芯出现多处破损,表面呈现出由高速介质冲刷产生的犁沟、刺入等形式的破损情况,使阀门完全丧失调节功能,无法正常使用。 分析其原因,为高压气固两相介质的冲蚀所致。笼式调节阀的结构原理是将入口侧的高压气体通过多层阀笼侧面的小孔分级节流,使高压降沿阀笼由内至外逐级递减,从而有效地控制流体流速。但由于输送介质中含有煤粉,阀门在小开度工作时,煤粉极易积压在各阀笼的间隙内,造成流通面积减少、压差增大,从而使流过阀笼侧面孔的流速增高,冲刷加剧。其次,采用不锈钢直接加工成型而没有任何硬化措施的阀笼,在高压差气固输送系统中,冲穿在所难免。 2.2 偏心旋转阀 某品牌偏心旋转阀结构示意图见图2。 1—阀座 2—球体 3—阀体 该偏心旋转阀阀体采用不锈钢铸件,阀体流道、内腔喷涂碳化钨硬质合金,球体堆焊钴铬钨硬质合金,阀座喷焊镍基硬质合金。 偏心旋转阀为固定球结构,通过改变球体与阀座之间流通面积,来实现系统压力或流量的调节。从现场了解到,此阀虽然做了局部的硬化处理,仍然无法得到满意的使用效果。 分析其原因,首先存在球体涂层冲蚀的问题。在高压系统中用来截断和调节气固两相介质时,其球体和阀座需要整体硬化,以全面提高内件的耐磨、耐冲蚀的性能。同时,为考虑球体结构及加工的工艺性,一般都采用堆焊硬质合金的方式,堆焊层硬度约HRC40。但在阀门小开度工作时,煤粉中的硬质颗粒对球体和阀座进行高速冲刷,很难保证阀门内件能够长期可靠的运行。 其次,介质对阀体内腔及流道的冲刷问题。虽然阀体内腔及流道喷涂碳化钨硬质合金,但是由于阀体中腔结构的特殊性,仅能通过手工喷涂实现,而这种方式造成的涂层厚度不均匀、结合强度低等问题直接影响阀门的使用寿命。在介质的高速冲刷下,极易出现局部脱落。 第三,开放式中腔难以避免细煤粉钻入上下轴承及填料之间。长期使用后的物料堆积,不但增大了开启扭矩,甚至可能导致不同程度的外漏。

3 滑板阀的结构及特点

3.1 滑板阀的结构及工作原理 滑板阀的结构示意图见图3。 1—阀体2—预紧弹簧3—入口内衬4—夹板 5—出口内衬6—滑板7—阀杆8—导向套 滑板阀阀芯组由中间的滑板与两端的夹板组成。阀杆带动滑板在流体垂直方向上产生位移,从而改变流通面积来实现开关或调节功能。夹板侧预紧弹簧使得滑板与两夹板紧密接触,不仅实现了良好的密封,也避免了固体介质进入腔体的可能。在保证阀门不会由于温度压力波动或物料堆积而卡涩的同时,也为阀芯长周期使用后的磨损提供了必要的补偿。 3.2 滑板阀的结构特点 3.2.1 直通式流道设计 直通式流道设计给阀内流道提供了采用整体烧结硬质合金(硬度约HRC70)内衬的良好条件,完全解决了阀后壳体的冲刷问题。同时,直通式结构也将流体对阀体内腔拐点出现的异常冲刷降至最低。 3.2.2 全硬质合金阀芯 夹板、滑板均采用整体烧结硬质合金,硬度高,具有良好的抗冲刷、抗腐蚀性能。 3.2.3 阀芯紧贴式设计 阀芯紧贴式设计,可防止阀门在高压差动作下的异常振动对高硬度阀芯带来的损害,同时消除了颗粒介质进入阀腔的可能。 3.2.4 方便更换的耐磨衬管 采用整体烧结硬质合金的出口内衬与硬度高达HRC60的耐磨涂层覆盖的入口内衬,提高了阀门的使用寿命。所有内衬均设计为可更换结构,在长期使用后,即使出现局部缺陷,仍可方便简洁的更换。 3.2.5 合理的文丘里设计 滑板阀进出口分别为缩径及扩径结构。角度设计太小,阀门结构尺寸就过长;角度设计太大,流体即脱离管壁,对下游管道造成严重的破坏。经过流体力学模拟分析后的结构设计,可保证阀门尺寸的最优化。 3.3 应用情况 滑板阀从2010年3月开始研发,当年10月定点试用,试用3个月后由于出现卡顿现象下线返修。经查,主要由于夹板侧弹簧力选择不当,导致滑板与夹板间存在微小间隙,使超细粉末进入阀门中腔,最终影响了阀门的动作性能。在对带压后的阀内件间隙进行重新核算并对阀杆导向结构经过较大改进后,达到成熟状态。2011年8月再次投入市场,经过一个开车周期,在大修时下线解体检查,阀芯、内衬及阀杆完好无损,阀体中腔无积料,阀门动作平稳顺畅,无卡阻现象,可继续使用。经过近年来国内多个项目的使用及跟踪了解,滑板阀在粉煤给料仓高压差放空工况下,免维修使用寿命不少于18个月,有效使用寿命接近3年。

4 结语

随着我国煤化工产业的发展,很多早期只能依赖进口的设备,已经逐渐被国产化。在煤气化系统中,部分设备的使用寿命已超出国外设备。进口产品价格昂贵,零配件供应与售后服务不及时,困扰着许多煤化工企业。目前国内很多阀门制造商都在进行针对性设计,这种量身订做式的设计方式,远比被动的选型要合理、可靠的多。 滑板阀以其独特的无死角结构、耐磨、耐冲刷的超硬材质的合理运用以及新颖的设计理念,在高压差放空调节工位显示出了良好的使用性能,同时,也可应用于其他类似的工况。但今后还需进一步在高温、大口径方面做改进,以满足市场的需要。 

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