黑水灰水硬密封球阀的应用分析与优化改进

付红静

一、前言
自20世纪90年代我国开始引进德士古水煤浆加压气化工艺（TCGP），随着该工艺的日益完善，该工艺被越来越多地进行应用。如山东鲁南化肥厂、上海焦化厂、陕西渭河化肥厂以及淮 化集团有限公司等均采用该工艺。该工艺气化系统生产过程中存在高温、高压的产物，而其中的气化炉产生的黑水以及处理后得到的灰水，具有高温高压腐蚀性强以及易结垢等特点。因此，气化系统中使用的灰水黑水阀必须具有合理的结构设计和材料配置，以及先进的表面处理技术，以确保在线阀门的正常使用，保证气化系统的长周期运行。

二、灰水黑水处理系统介绍及介质特点
1.黑水灰水处理系统
德士古气化工艺包括：制浆系统、合成气系统、烧嘴冷却系统、锁斗系统、闪蒸和水处理系统。如图1所示，黑水来源主要有两方面：一方面来自激冷室，高温合成气和熔渣在激冷室与水进行热交换及熔渣固化形成黑水；另一方面就是洗涤塔，合成气中粉尘经过洗涤同时冷却合成气后形成的黑水。经黑水排放阀送入黑水处理系统。黑水经闪蒸、冷凝和液固分离等步骤后形成灰水，灰水可循环使用。

图1 黑水形成工艺简图 1.锁斗2.激冷室3.燃烧室4.德士古气化炉5.洗涤塔6.闪蒸罐

2.黑水灰水介质特性
德士古气化装置运行过程中所产生的黑水灰水具有以下特点：


（1）腐蚀性

黑水灰水中含有HS、Cl -和煤灰等成分。其中H2S溶于水形成氢硫酸，氢硫酸与Fe发生离解反应生成FeS。而HCl主要来源于煤中的含氯矿物质，在气化过程中，含氯矿物质中的金属阳离子转化成相应的硅酸盐作为灰渣排出，氯离子则转化成HCl继续以离子化状态溶解于黑水中。它对用作黑水的设备有腐蚀作用。


（2）高温高压

由于气化炉燃烧室温度在1400℃左右、4MPa的条件下发生反应，合成气虽然经过急冷处理进入到激冷室，气化炉和洗涤塔产生的黑水一般为4MPa、220℃左右。而黑水经过处理后得到灰 水经过循环使用同样有较高的温度和压力。


（3）结垢硬化

水煤浆在气化炉内发生燃烧及裂解反应后，生成的工艺气含有大量的CO2，CO2溶于水形成，与水相遇发生变化后又分解成，与黑水灰水中的Ca 2+、Mg 2+等离子 形成CaCO3、MgCO3从而附着沉积在阀门中形成结垢。 （4）冲刷性 黑水灰水阀门内件一般选用双相钢。内件材料在氧气的作用下在其表面上形成的钝化膜，而黑水灰水为液固两相体，介质中的硬颗粒在阀门开关中以微切削、犁沟和刺入方式对阀门内件进行着冲刷、侵蚀。一旦当球座之间出现微泄漏时，介质高速流动，具有强大动能，它可以很快将阀芯、阀座冲出流线型的细槽。将新鲜的材料表面暴露在腐蚀性流体中进一步承受腐蚀和冲蚀。


三、黑水灰水阀出现的损坏情况及原因分析
由于黑水灰水介质的苛刻性，国内采用德士古水煤浆气化的装置在系统运行过程中阀门常出现异常情况而紧急停车。


1.黑水灰水阀出现内件严重腐蚀情况

原因分析：由于黑水灰水具有强腐蚀性，球体和阀座在硬化材料选择上如果选择不合理，阀门就会在使用寿命内使密封面硬化层出现腐蚀凹坑，严重时甚至出现脱落，最终造成阀门出现泄漏情况。


2.黑水灰水阀门内腔结垢导致阀门问题

扭矩增大，导致阀门开关不动或开关不到位。 原因分析：在气化炉高温高压的反应条件下和激冷条件形成黑水，黑水灰水为液固混合，其中含有大量的灰渣，含渣量有时达到50%，且煤炭中含有的Fe、Si、Al和Mg等元素，在一定条件下与发生反应，形成硅酸盐和碳酸盐。



其中反应如下：
1）碳酸盐的形成




2）硅酸盐的形成




从以上反应不难看出，煤炭中Ca、Mg、Fe、Al与 和 反应生成硅酸盐及硅酸盐晶体聚合物，形成沉淀附着在阀门上，最终导致阀门结垢，如图2所示。

图2 阀门中腔与球体结垢

3.黑水灰水阀冲刷损害，导致阀门泄漏
原因分析：阀门冲刷损害主要包括冲刷和汽蚀。


（1）冲刷

黑水灰水液固混合相，介质中携带的颗粒SiO2和Fe2O3等随介质的流动以微切削、犁沟和刺入方式对阀门进行着冲刷、侵蚀。黑水经切断球阀，根据伯努利方程式，静压能转变为动能，流速急剧增加，流动状态呈湍流，阀门切断作用闭合件被夹带着颗粒的高速流体进行冲刷。尤其在阀门开度较小时，介质高速流动，具有强大动能，球阀的阀芯、阀体及阀后管道也会遭受严重的冲刷磨损，而把新鲜的材料表面暴露在腐蚀性流体中进一步承受腐蚀和冲蚀。


（2）汽蚀

黑水与阀门金属构件作高速相对运动时，由于内部压力不断地起伏、突变，使得黑水中的蒸汽以及溶于黑水中的气体在金属表面反复出现气泡形成及破裂过程，气泡在溃灭时产生的冲击波对金属表面产生强烈的锤击作用，破坏钝化膜和膜下金属，使得在用的阀芯、阀座表面的材料被冲击成蜂窝状的小孔，对阀门内件形成汽蚀。

四、阀门优化设计及改进措施
针对工况的苛刻性以及国内外知名厂家生产的黑水灰水阀在线使用情况和损坏情况的综合分析研究，最终为保证所生产的阀门具有优良的综合使用性能，对黑水灰水阀的材料选用、结构优化及表面硬化处理上均进行改进。


1.材料选用合理性
阀体采用碳钢，其流道内衬双相不锈钢、球体和阀座选用双相钢F51。F51合金是由21%铬、2.5%钼及4.5%镍氮合金构成的复式不锈钢。双相不锈钢F51合金与304和316奥氏体不锈钢相比，F51合金在抗斑蚀及裂隙腐蚀的性能更优越，它具有很高的抗腐蚀能力。双相不锈钢F51合金与奥氏体不锈钢相比，它的力学性能是其两倍，且硬度增加，与304和316相比，设计者 可以减轻其重量。由于铬含量（22%）、钼（3%）及氮含量（0.18%），F51的抗腐蚀特性优于304和316。双相钢F51中铬、钼及氮的含量使其在氧化性及酸性的溶液中，对点腐蚀具有很强的抵抗能力。双相不锈钢微观结构有助于提高不锈钢的抗应力腐蚀龟裂能力。在一定的温度、张应力、氧气及氯化物存在的情况下，奥氏体不锈钢会发生氯化物应力腐蚀。而F51具有 较强抵抗能力。

双相不锈钢中的Cr能形成保护钢不受大气腐蚀的稳定的钝化膜，Cr是铁素体元素，它可以使具有体心立方晶格的铁组织稳定，提高钢在高温下的抗氧化能力。Mo能提高不锈钢的抗氯化 物腐蚀的能力，Mo在氯化物环境下的抗点蚀和缝隙腐蚀的能力是Cr的3倍。Mo是铁素体形成元素，同样能促进形成金属间相；N—N元素可增加奥氏体和双相不锈钢的抗点蚀和缝隙腐蚀的 能力，并可以显著地提高钢的强度。

2.结构优化设计 针对工况的恶劣情况以及国内外阀门在使用中出现的各种问题。为保证阀门拥有良好的综合使用性能，更好的适应工况，对灰水黑水球阀进行结构优化设计，使阀门具有以下相应的结构特点。
1）阀座结构优化设计。阀座后面采用弹簧或碟簧加载，并且在碟簧或圆柱形弹簧两侧采用防尘圈进行保护，防止杂质进入到弹簧腔体，有效防止弹簧的失效（见图3）。

（a）线簧预紧优化

（b）碟簧预紧优化

图3 阀座结构优化

2）阀座于阀体结合处的通道处增加保护套，进一步有效防止杂质进入到阀座后面的弹簧腔体，确保弹簧的长期有效工作。

3）阀座密封面两侧采用刮刀式结构设计，是球体及阀座在开关过程具有自清洁功能。有效防止球体和阀座间颗粒介质的沉积和黏附，确保阀门动作顺畅连续，不卡涩。

3.表面硬化处理
根据灰水黑水工段特点，同时灰水黑水混合物具有一定的应力腐蚀倾向。因此，要求阀门使用材料耐腐蚀、耐冲刷且高强度，并应对球体、阀座等密封件进行适当的表面硬化处理，以达到较高硬度和高耐腐蚀性。

1）由于阀座和球体表面最容易受到冲刷和腐蚀。据用户单位使用国内外灰水黑水阀所得的经验，球体和阀座密封面硬度不低60～65HRC，最好是镍基硬质合金（具有优秀的耐蚀性）， 同时还应保证硬化层具有一定的厚度且结合强度不低于70MPa，保证涂层不脱落。

2）由于阀门要求在高压差下确保密封，球体需先在高精度的球磨机上进行磨削，球体圆度控制在0.01左右，然后与阀座进行配对研磨，要求密封面达到很高的吻合度。

五、结语
针对黑水灰水阀所进行的优化设计方案对现有产品进行了改进，并且将优化改进后的产品投入到黑水灰水工段进行了较长时间的应用，经过在线使用情况及阀门解体状况的对比分析，以上优化方案具有显著优越性，大大降低了阀门损坏几率，延长了阀门的使用寿命。