煤制烯烴黑水工藝用陶瓷調(diào)節(jié)球閥結(jié)構(gòu)的改進(jìn)

2013-09-20 王芳上海浦東漢威閥門有限公司

1、概述

　　近年來(lái)，新型陶瓷復(fù)合材料在石油及化工等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，尤其在高磨損、強(qiáng)腐蝕、高溫及高壓等惡劣工況，陶瓷閥門具有其特殊的適用性能。如煤制烯烴的黑水二段閃蒸工藝中，采用陶瓷球閥對(duì)黑水進(jìn)行調(diào)節(jié)。但是閥門在使用過(guò)程中出現(xiàn)了一些問(wèn)題，通過(guò)對(duì)陶瓷球閥的結(jié)構(gòu)分析和改進(jìn)，使其滿足了現(xiàn)場(chǎng)工況系統(tǒng)的要求。

2、技術(shù)參數(shù)

　　公稱壓力　　150Lb

　　公稱通徑　　150mm

　　進(jìn)口壓力　　0. 043MPa

　　出口壓力　　- 0. 058MPa

　　閥門關(guān)閉壓差　　0. 35MPa

　　最大流速　　867m /s

　　蒸汽壓力　　0. 021MPa

　　臨界壓力　　22. 064MPa

　　適用介質(zhì)　　黑水

3、結(jié)構(gòu)分析

　　在煤化工黑水二段閃蒸工藝系統(tǒng)中，應(yīng)根據(jù)工況系統(tǒng)開、停車的極端工況和正常黑水調(diào)節(jié)工況下流體綜合因素設(shè)計(jì)和選用閥門的參數(shù)和結(jié)構(gòu)。由于流體在閥前的操作壓力已接近飽和蒸汽壓，經(jīng)過(guò)閥門減壓后會(huì)出現(xiàn)閃蒸現(xiàn)象，且含固體顆粒。為減少介質(zhì)對(duì)流通通路的沖蝕，應(yīng)控制閥門出口介質(zhì)的流速。因此，閥門應(yīng)分段減壓，一段是閥瓣( 球體) 、閥座，另一段是孔板組件。整個(gè)閥門流體通路均為陶瓷組件，具有抗含固流體沖蝕作用( 圖1) 。入口閥座的流道口為長(zhǎng)條形開口，介質(zhì)流經(jīng)閥座時(shí)，通過(guò)改變球體與閥座的接觸面積調(diào)節(jié)流量。出口閥座是在密封面里面均勻設(shè)置小孔。當(dāng)介質(zhì)經(jīng)球體進(jìn)入出口閥座并經(jīng)均布的小孔流出時(shí)，對(duì)介質(zhì)起到減壓和降低流速的作用。閥內(nèi)件材料見表1。孔板組件由節(jié)流孔板A、長(zhǎng)度為L(zhǎng)1的管道、節(jié)流孔板B 和長(zhǎng)度為L(zhǎng)2的管道組成。通過(guò)出口閥座節(jié)流的介質(zhì)首先經(jīng)過(guò)節(jié)流孔板A，然后進(jìn)入到長(zhǎng)度為L(zhǎng)1的管道中，孔板的尺寸及管道內(nèi)徑的尺寸有相對(duì)擴(kuò)大的趨勢(shì)，因此流經(jīng)介質(zhì)的壓力將有減小的趨勢(shì)，對(duì)介質(zhì)起到減壓的作用，另外較長(zhǎng)管道對(duì)介質(zhì)也有穩(wěn)流作用。同樣的，當(dāng)介質(zhì)通過(guò)節(jié)流孔板B 對(duì)其進(jìn)行節(jié)流減壓后再進(jìn)入長(zhǎng)度為L(zhǎng)2的管道中，介質(zhì)將得到進(jìn)一步的減壓和穩(wěn)流。

表1 原陶瓷球閥內(nèi)件材料

原陶瓷球閥內(nèi)件材料

黑水用陶瓷調(diào)節(jié)球閥

1. 閥體內(nèi)襯2. 入口閥體內(nèi)襯3. 入口閥座4. 出口閥座5. 球體6. 節(jié)流孔板A 7. 節(jié)流孔板B

圖1 黑水用陶瓷調(diào)節(jié)球閥

4、改進(jìn)方案

　　陶瓷球閥在使用過(guò)程中主要存在閥體襯套碎裂和球體邊緣吹壞( 圖2) 、閥座開裂和節(jié)流孔板B 有堵渣等現(xiàn)象。

陶瓷球閥受損狀況

(a) 閥體襯套碎裂(b) 球體邊緣損壞

圖2 陶瓷球閥受損狀況

　　針對(duì)閥后節(jié)流孔板的堵渣現(xiàn)象，為了滿足現(xiàn)場(chǎng)的工藝要求對(duì)孔板進(jìn)行適當(dāng)?shù)臄U(kuò)孔處理，避免了節(jié)流孔板的堵渣現(xiàn)象。系統(tǒng)介質(zhì)為黑水液固兩相流，經(jīng)過(guò)閥門節(jié)流減壓后的介質(zhì)最大流速可控制到60m /s 以下。由于對(duì)節(jié)流孔板進(jìn)行了擴(kuò)孔，經(jīng)閥門節(jié)流孔板后的介質(zhì)流速要大于60m/s，流速增加對(duì)節(jié)流零部件的沖蝕更加嚴(yán)重，因此需選擇節(jié)流零部件耐沖刷性能及綜合力學(xué)性能更好的材料。由于閥門啟閉或小開度時(shí)，閥體襯套受到介質(zhì)從正面的高速直接沖擊，同時(shí)球體和閥座也受到不同程度的沖擊和沖蝕，閥門的內(nèi)件材料即要有一定的耐磨性，又要有較好的韌性。另外，節(jié)流孔板也起到節(jié)流和減壓的作用，受沖刷也較嚴(yán)重，因此需要重新選擇適合的材料( 表2) 。陶瓷材料的力學(xué)性能對(duì)比如表3。

表2 改進(jìn)后陶瓷球閥內(nèi)件材料

改進(jìn)后陶瓷球閥內(nèi)件材料

表3 陶瓷材料的力學(xué)性能

陶瓷材料的力學(xué)性能

　　根據(jù)表2 和表3 分析，SiC 硬度高，具有高耐磨損和耐沖刷性能，機(jī)械加工性能好，但韌性較差。氧化鋯增韌氧化鋁陶瓷硬度及韌性相對(duì)較平均，具有耐磨損、質(zhì)量輕和成本低等特點(diǎn)。WC 金屬陶瓷的耐磨性不如SiC，但其硬度差別不大。WC 金屬陶瓷的抗彎強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度高于SiC 和氧化鋯增韌氧化鋁陶瓷且綜合機(jī)械性能較好，缺點(diǎn)是其密度大且價(jià)格昂貴。

　　在閥門開關(guān)的瞬間及小開度工作的情況下，閥門內(nèi)件及閥體陶瓷襯套受到較大的沖擊，因此需要選擇硬度及抗彎強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度等綜合性能更好的WC 金屬陶瓷。孔板組件主要起到節(jié)流和減壓的作用，也受較大的磨損和一定的沖擊，因此選用耐磨性和韌性均較好的氧化鋯增韌氧化鋁陶瓷復(fù)合陶瓷。

5、結(jié)語(yǔ)

　　陶瓷球閥采用分段減壓結(jié)構(gòu)后，可有效地緩解介質(zhì)對(duì)閥門內(nèi)件的沖刷和控制系統(tǒng)中介質(zhì)的流速。另外，采用新型復(fù)合陶瓷結(jié)構(gòu)材料制作閥內(nèi)件提高了閥門產(chǎn)品的耐沖刷性和抗沖擊性能，大大延長(zhǎng)了閥門的使用壽命。根據(jù)各個(gè)部位零部件工況的不同，選用更合理的材料，既節(jié)約產(chǎn)品的成本，又能達(dá)到預(yù)期的使用目標(biāo)。經(jīng)過(guò)改進(jìn)的陶瓷球閥在某煤化工企業(yè)應(yīng)用已超過(guò)2 年，使用效果良好。