黑水调节阀设计难点：高温高压冲刷汽蚀固液气三相流黑水工况所可能造成的危害

广华

固液气三相流伴随高压差、高流速、强腐蚀、强冲击，黑水调节阀的工况可谓是极其恶劣。固相方面，由于固相含量高，颗粒硬度大，在高压差、高流速的加持下，固体颗粒将成为调节阀设计中首当其冲的难点。高速冲击下的固体颗粒，首先会对流体通路上阻碍前进的零件进行撞击，比如阀芯、阀座、阀杆等起主要调节性功能的零件，这部分零件由于自身加工材料的限制、原材料二次处理的方式、抵抗冲击结构的不同，会造成零件表面的凹坑、刮伤、甚至裂纹，这些因固体颗粒冲击造成的缺陷，会随着液体闪蒸、空化的影响，二次对零件本身进行侵蚀，直至零件破碎、弯曲、甚至折断。
其次，固体颗粒在流体通路的路径上进行磨损，主要表现为在管道内壁、阀体内腔由于阻塞流或者管道转弯、阀腔转向过程中突然改变方向，固体颗粒伴随液体在惯性作用下，冲击转向内壁，造成刮伤、划痕、异响；方向的改变也会影响局部介质的流速，也会产生涡流、湍流造成管道、阀腔的振动、噪声，这也也是介质在管道运输、阀门调节中潜在的危险。

固体颗粒产生的另一方面危害是沉降问题，固体颗粒细小，极易发生沉降、结垢现象，易堆积在调节阀内腔死角、结痂在阀芯、阀座、阀杆表面，特别是用于稳定阀杆、减少震动的阀杆导向区域。由于满足阀杆导向及稳定作用，阀杆与导向之间的间隙不会留太大，本身阀杆会随着阀门启闭上下运动，必然会将颗粒带动到阀杆与导向之间的间隙中，这就会导致阀杆与导向卡死，加剧阀杆与导向表面的磨损，最终影响阀杆的稳定作用。同时，也会因为导向稳定作用的减弱，使得阀芯在液体冲击下产生振动，与阀座产生碰撞，造成阀芯与阀座的二次伤害。由于阀杆表面的磨损与刮伤，也会影响调节阀上部填料与阀杆密封的效果，造成黑水外漏、有毒气体逸散等严重的生产事故。

液相方面，由于黑水主体为液体，在液体中多含有Ca2+、Mg2+、Cl-、S2-、CO32-、NH4+、H2S等多种强腐蚀离子，伴随较高温度，长时间浸泡会对调节阀内壁及零部件产生冲蚀作用，弱化零部件表面金属自带的氧化保护层，配合固体颗粒的冲击，撕开金属表面的第一层保护，为后续的闪蒸、空化提供进一步破坏的条件。

由于黑水闪蒸系统中，调节阀面对的是高压差工况，因此黑水液相本身是检验调节阀本身强度的重要组成部分。由于在高压差工况下，大部分阀门会为了减少启闭过程中，执行器的输出力与稳定效果，会在阀腔内设置用于平衡阀芯阀杆上下两侧压力的平衡区，液体在高压作用下，首先会冲击调节阀腔内部的平衡区域，此时阀腔的流道形状就成为的重中之重，流道形状若不能对流体进行疏导、转向、减速，则会加剧阀腔的磨损，加大阀腔内隔板的压力承载，导致裂纹、贯通等问题。阀腔的流道形状也会影响阻塞流的产生、阀门的压力恢复系数、局部涡流、紊流的产生，影响着阀门流通能力、调节能力，也影响着阀体振动、噪声等因素。

另一方面，黑水液体的冲击也会直接影响阀内零部件的强度，考虑到阀内零部件的冲击位置、导向稳定性能，将会使得阀内零部件产生振动、磨损、弯曲，从而导致阀门稳定性下降、调节精度下降、安全性下降，甚至阀内零部件的弯曲、折断。

气相方面，由于黑水调节阀在面临高压差工况，闪蒸与空化效果是无法避免的，由于阀后介质的体积的急剧膨胀，高速流体会对阀芯表面、阀座密封面、阀门出口处的文丘里扩口延伸管或管道，产生无法避免的冲击，甚至造成零部件表面破碎与管道破损。

另一方面闪蒸现象造成的流体体积的急剧变化，也会使得管道及下游工艺设备管口造成振动，若不能解决该问题，会导致下游设备出现设计意料之外的问题，进而损伤下游设备，这将会造成严重的生产事故，造成大量经济损失。

黑水调节阀作为煤化工行业的典型代表，固液气三相混合的苛刻工况让每位设计者与用户十分苦恼，使用寿命一短再短。本文通过固体、液体、气体三个方面分析了问题产生的原因，以及造成的危害，应通过多个角度提出解决方案，用以为今后的设计者设计过程中提供参考。

工艺流程的改进必将推动工业产业的进步，工艺装备的需求将带动工业设备发展。煤化工作为工业产业重要组成部分，在煤制甲醇领域、煤制乙烯领域、煤制合成氨领域中，水煤浆气化工艺的出现带动了煤化工产业的量产化、经济化。水煤浆气化工艺在目前来讲具有制备技术成熟、制备流程可控的生产安全性；也具有原材料兼容、合成转化效率高的经济性；还具有设备装置易建设、投资回报周期短的商业性。在水煤浆气化工艺中，除了闪蒸罐作为合成转换的技术核心外，在气化炉与洗涤塔内的黑水调节阀也是整个工艺中作为经济性与环保性体现里不可缺少的组成部分。黑水调节阀的长期稳定运行影响着气化装置的持续生产，但由于黑水调节阀面对的严苛工况，极短的使用寿命与故障几率催促着黑水调节阀技术的改善与进步。