煤气化装置水煤浆气动控制球阀的设计

大别山

　　介绍了煤气化装置水煤浆气动控制球阀的研究过程，分析了煤气化工况系统的主要技术难点，给出了产品国产化研究的具体解决方案，并对产品结构的设计计算提出了新的思路。

1、概述　　煤气化装置的水煤浆是由55% ～ 70% 不同粒度分布的煤，29% ～ 44% 的水和约1% 的化学添加剂制备而成的混合物。水煤浆介质中含大量的硬质固体颗粒，具有较强的应力腐蚀，还具有高温、高压的特点，极易对阀门造成磨损、冲刷、沉积及卡塞。软密封球阀及普通的硬密封球阀很难在该工况中长期可靠应用，因此，煤气化装置水煤浆耐磨球阀的研究和开发是非常重要的。

2、技术分析　　煤气化装置水煤浆管线阀门一般分为煤浆管线第1 切断阀、煤浆管线第2 切断阀和煤浆管线回流切断阀。煤浆管线的操作压力或关闭压差一般达到6. 5 ～ 13. 5MPa，工况温度一般为60 ～ 425℃，加上介质中含有大量硬质的固体颗粒。因此，为了保证煤气化装置水煤浆管线阀门的长期安全、可靠和稳定使用，必须克服阀门存在的几个技术难点。

　　(1) 高操作压力所产生的高速流动介质极容易对球体、阀座和阀腔，特别是球体造成强烈冲刷和磨损，导致球体和阀座密封失效，甚至报废。
　　(2) 煤浆介质极易粘结在球体表面，造成阀门无法打开或关闭。
　　(3) 煤浆内的细小固体颗粒很容易进入到阀杆和轴套内部，阀杆长时间在硬质固体颗粒的摩擦运动下快速磨损，造成轴套和阀杆间隙不断扩大，直至无法工作。
　　(4) 煤浆内的细小固体颗粒还可能进入到阀座背面，将弹簧室塞满或卡塞，使阀座无法正常工作。
　　(5) 高压介质所产生的高密封比压以及固体颗粒所产生的高摩擦阻力，造成阀门需要更大的操作扭矩，而大操作扭矩的执行装置往往导致支架位置变动、阀杆变形或扭断。

3、结构设计　　针对水煤浆介质的特点和技术难点，采用了气动金属密封耐磨球阀结构的设计( 图1) 。
　　(1) 刮刀式阀座结构。在阀门启闭过程中能够自动刮除球面上的杂质，自动清洁球面。
　　(2) 阀座背面板簧加载结构。以补偿由于温度变化造成零部件的变形，避免阀座出现卡塞现象，并且弹簧腔室采用防砂结构设计，杜绝了固体颗粒或杂质的侵入。
　　(3) 防侧向偏移功能上下支撑轴结构。阀杆能够承受介质强大的侧向推力。
　　(4) 动态载荷填料密封结构。可以实现对填料自动施加适当的外力。
　　(5) 防扭转偏移支架结构。克服了一般支架结构容易导致执行机构与阀门连接松动甚至脱落的严重缺陷，防止了巨大的气缸或执行机构扭转力改变执行机构、阀杆、支架、球体和阀座等相对位置的可能性。

1. 阀体2. 阀盖3. 球体4. 阀座5. 阀座密封圈6. 板簧密封圈7. 板簧8. 阀杆9. 填料10. 支架11. 气动执行机构

图1 气动控制金属密封球阀

4、执行机构及其气路设计　　为了达到系统顺控的要求，实现阀门的快速开启和关闭，以及使阀门避免卡塞和防止冲刷，并达到ESD 功能。根据设计要求，采用了弹簧复位的气动执行机构，以实现阀门的快速启闭和安全操作。典型气路设计原理( 以FC 为例) 见图2。

　　(1) 阀门开启时，电磁阀首先带电工作，压缩空气经过滤减压阀的过滤和减压后通过电磁阀启动气控制器的先导阀。先导阀工作的同时带动气控阀主阀工作，压缩空气随即通过快排阀进入气动执行机构的气缸内驱动阀门，直到阀门完全打开。
　　(2) 当电磁阀失电或气源失气时，气动执行机构内部的弹簧立即自动工作，将气缸内的压缩空气直接从快排阀快速排出到大气，完成快速关闭阀门的动作，回到设定的安全位置。

5、工艺控制　　(1) 阀门整体流道喷涂硬质合金保护层，防止了介质的强烈冲刷和磨损。
　　(2) 动配合处均进行适当的硬化处理，确保长期耐磨性能和使用可靠性。
　　(3) 球体和阀座采用喷焊或喷涂的硬化处理方式，硬度≥60HRC，两者之间并具有一定的硬度差，保证长期应用的耐磨性能。
　　(4) 对球体和阀座密封面采用配对研磨的措施，保证密封面吻合度达到100%，使阀门的密封等级能够达到ASME B16. 104 /FCI 70 - 2 规定的Ⅵ级要求。

1. 气动执行机构2. 快排阀3. 气动控制器4. 阀位开关5. 电磁阀6. 过滤减压阀

图2 典型气路原理

6、设计计算　　对于水煤浆气动控制球阀的设计计算可以采用传统的经验公式计算法和有限元分析法相结合进行。

6.1、经验公式计算法　　水煤浆气动控制球阀的计算项目及经验公式可根据表1 进行。

表1 计算项目及公式

6.2、有限元分析法　　在传统经验公式计算法中，对于球体、支架等的计算和校核比较复杂，因此，可以采用有限元分析法相结合的方法计算。
　　(1) 球体
　　根据实际使用情况，应从球体的前端和后端同时施加设计要求的压力和载荷，并对球体的总变形量、等效应力和安全系数计算和分析。从图3、图4和图5 中可以直观地得出球体各个不同方面的分析结果。

图3 球体的总变形量

图4 球体的等效应力

图5 球体的安全系数

　　(2) 支架
　　支架结构是影响阀门运行的重要因素。从图6、图7 和图8 中可以直观地得出支架各个不同方面的分析结果。

　　通过传统经验公式计算法和有限元分析法的相结合和相比较，不仅可以得到精确可靠的设计数据，并且可以对初步设计的结果进行校核和优化。

图6 支架的总变形量

图7 支架的等效应力

图8 支架的安全系数

7、结语　　目前，水煤浆气化技术已被列为国家能源发展的重点推广技术。通过对煤化工气化装置的关键阀门，包括水煤浆气动控制球阀的研究和开发，具有自主知识产权的国产化水煤浆气动控制球阀已经较大批量的成功应用在煤化工及煤浆输送管线等项目，解决了煤气化用阀的主要技术难点，满足了工况系统的需求，得到了用户的认可。