煤制烯烃黑水工艺用陶瓷调节球阀结构的改进

桑蒂雅

1、概述　　近年来，新型陶瓷复合材料在石油及化工等领域得到了广泛的应用，尤其在高磨损、强腐蚀、高温及高压等恶劣工况，陶瓷阀门具有其特殊的适用性能。如煤制烯烃的黑水二段闪蒸工艺中，采用陶瓷球阀对黑水进行调节。但是阀门在使用过程中出现了一些问题，通过对陶瓷球阀的结构分析和改进，使其满足了现场工况系统的要求。



2、技术参数　　公称压力　　150Lb
　　公称通径　　150mm
　　进口压力　　0. 043MPa
　　出口压力　　- 0. 058MPa
　　阀门关闭压差　　0. 35MPa
　　最大流速　　867m /s
　　蒸汽压力　　0. 021MPa
　　临界压力　　22. 064MPa
　　适用介质　　黑水



3、结构分析　　在煤化工黑水二段闪蒸工艺系统中，应根据工况系统开、停车的极端工况和正常黑水调节工况下流体综合因素设计和选用阀门的参数和结构。由于流体在阀前的操作压力已接近饱和蒸汽压，经过阀门减压后会出现闪蒸现象，且含固体颗粒。为减少介质对流通通路的冲蚀，应控制阀门出口介质的流速。因此，阀门应分段减压，一段是阀瓣( 球体) 、阀座，另一段是孔板组件。整个阀门流体通路均为陶瓷组件，具有抗含固流体冲蚀作用( 图1) 。入口阀座的流道口为长条形开口，介质流经阀座时，通过改变球体与阀座的接触面积调节流量。出口阀座是在密封面里面均匀设置小孔。当介质经球体进入出口阀座并经均布的小孔流出时，对介质起到减压和降低流速的作用。阀内件材料见表1。孔板组件由节流孔板A、长度为L1的管道、节流孔板B 和长度为L2的管道组成。通过出口阀座节流的介质首先经过节流孔板A，然后进入到长度为L1的管道中，孔板的尺寸及管道内径的尺寸有相对扩大的趋势，因此流经介质的压力将有减小的趋势，对介质起到减压的作用，另外较长管道对介质也有稳流作用。同样的，当介质通过节流孔板B 对其进行节流减压后再进入长度为L2的管道中，介质将得到进一步的减压和稳流。


表1 原陶瓷球阀内件材料



1. 阀体内衬2. 入口阀体内衬3. 入口阀座4. 出口阀座5. 球体6. 节流孔板A 7. 节流孔板B
图1 黑水用陶瓷调节球阀


4、改进方案　　陶瓷球阀在使用过程中主要存在阀体衬套碎裂和球体边缘吹坏( 图2) 、阀座开裂和节流孔板B 有堵渣等现象。

(a) 阀体衬套碎裂(b) 球体边缘损坏
图2 陶瓷球阀受损状况


　　针对阀后节流孔板的堵渣现象，为了满足现场的工艺要求对孔板进行适当的扩孔处理，避免了节流孔板的堵渣现象。系统介质为黑水液固两相流，经过阀门节流减压后的介质最大流速可控制到60m /s 以下。由于对节流孔板进行了扩孔，经阀门节流孔板后的介质流速要大于60m/s，流速增加对节流零部件的冲蚀更加严重，因此需选择节流零部件耐冲刷性能及综合力学性能更好的材料。由于阀门启闭或小开度时，阀体衬套受到介质从正面的高速直接冲击，同时球体和阀座也受到不同程度的冲击和冲蚀，阀门的内件材料即要有一定的耐磨性，又要有较好的韧性。另外，节流孔板也起到节流和减压的作用，受冲刷也较严重，因此需要重新选择适合的材料( 表2) 。陶瓷材料的力学性能对比如表3。


表2 改进后陶瓷球阀内件材料



表3 陶瓷材料的力学性能



　　根据表2 和表3 分析，SiC 硬度高，具有高耐磨损和耐冲刷性能，机械加工性能好，但韧性较差。氧化锆增韧氧化铝陶瓷硬度及韧性相对较平均，具有耐磨损、质量轻和成本低等特点。WC 金属陶瓷的耐磨性不如SiC，但其硬度差别不大。WC 金属陶瓷的抗弯强度和抗压强度高于SiC 和氧化锆增韧氧化铝陶瓷且综合机械性能较好，缺点是其密度大且价格昂贵。



　　在阀门开关的瞬间及小开度工作的情况下，阀门内件及阀体陶瓷衬套受到较大的冲击，因此需要选择硬度及抗弯强度和抗压强度等综合性能更好的WC 金属陶瓷。孔板组件主要起到节流和减压的作用，也受较大的磨损和一定的冲击，因此选用耐磨性和韧性均较好的氧化锆增韧氧化铝陶瓷复合陶瓷。



5、结语　　陶瓷球阀采用分段减压结构后，可有效地缓解介质对阀门内件的冲刷和控制系统中介质的流速。另外，采用新型复合陶瓷结构材料制作阀内件提高了阀门产品的耐冲刷性和抗冲击性能，大大延长了阀门的使用寿命。根据各个部位零部件工况的不同，选用更合理的材料，既节约产品的成本，又能达到预期的使用目标。经过改进的陶瓷球阀在某煤化工企业应用已超过2 年，使用效果良好。



参考文献　　〔1〕童幸生. AI2O3陶瓷阀芯耐磨性的研究〔J〕. 机械工程材料，2001( 8) .
　　〔2〕郭风忠. 煤化工用黑水调节阀的研制〔J〕. 阀门， 2011( 3) .
　　〔3〕金刚，张鸿林. 鲁南化肥厂应用德士古水煤浆加压气化技术10年回顾〔J〕. 小氮肥，2004( 1) .