煤氣化裝置氧氣切斷閥的國(guó)產(chǎn)化及其應(yīng)用

嚴(yán)春明， 嚴(yán)啟斌，吳斌， 龔朝明，鄧長(zhǎng)松

(1. 中石化寧波工程有限公司，浙江 寧波 315103;2. 蘇州安特威閥門有限公司，江蘇 蘇州 215200)

儀器儀表

煤氣化裝置氧氣切斷閥的國(guó)產(chǎn)化及其應(yīng)用

嚴(yán)春明1， 嚴(yán)啟斌2，吳斌2， 龔朝明2，鄧長(zhǎng)松2

(1. 中石化寧波工程有限公司，浙江 寧波 315103;2. 蘇州安特威閥門有限公司，江蘇 蘇州 215200)

針對(duì)目前國(guó)內(nèi)煤氣化裝置中高溫高壓氧氣切斷球閥(簡(jiǎn)稱氧閥)主要依賴進(jìn)口，且進(jìn)口氧閥在使用中存在一些常見(jiàn)故障的現(xiàn)象，提出了氧閥國(guó)產(chǎn)化的課題。在研究當(dāng)前高溫輸氧管線中氧閥故障現(xiàn)象的基礎(chǔ)上，分析了發(fā)生故障的原因。通過(guò)對(duì)現(xiàn)有氧閥結(jié)構(gòu)進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)，并采用全新的設(shè)計(jì)理念和設(shè)計(jì)方法，研發(fā)出了全新的氧閥。實(shí)際使用情況表明： 該閥門可以替代進(jìn)口氧閥在輸氧管線上長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)給出了氧閥選擇的建議。

氧氣切斷閥 高溫 高壓差 泄漏 卡澀 安全

高溫高壓氧氣切斷球閥(簡(jiǎn)稱氧閥)廣泛應(yīng)用于德士古公司水煤漿法、殼牌公司粉煤加壓法等煤氣化工藝裝置和空分裝置的氧氣管線上，在氧氣輸送管路或氧氣吹掃管路上起到快速切斷或開啟的作用。由于氧閥的技術(shù)要求較高，國(guó)內(nèi)建設(shè)的煤氣化裝置上普遍采用進(jìn)口氧閥。進(jìn)口氧閥價(jià)格較貴，且技術(shù)水平參差不齊，造成其使用性能不夠穩(wěn)定，甚至呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，因而氧閥的國(guó)產(chǎn)化迫在眉睫。由于氧氣為活性助燃劑，閥門一旦發(fā)生熱量積累、靜電起弧、泄漏等，很容易引發(fā)燃燒，甚至爆炸事故。鑒于以上原因，氧閥在整個(gè)煤化工裝置中占有非常重要的位置，其能否安全穩(wěn)定運(yùn)行已經(jīng)成為煤氣化裝置長(zhǎng)周期運(yùn)行的關(guān)鍵。

1 氧閥的操作條件及選型

1.1氧閥的操作條件

氧閥的操作介質(zhì)為純凈氧氣，典型操作條件如下： 最高操作溫度180℃， 操作壓力4.6～9.8MPa，開啟壓差4.6～9.8MPa，閥門開關(guān)動(dòng)作時(shí)間小于2s。其他低溫工況氧閥可以使用截止閥，低壓工況氧閥可以使用軟密封球閥，這兩種工況下氧閥技術(shù)成熟，文中不再贅述。

1.2氧閥的選型

氧氣具有強(qiáng)氧化性，在氧閥設(shè)計(jì)選型時(shí)對(duì)于氧閥的結(jié)構(gòu)類型、部件材質(zhì)、開關(guān)時(shí)間、泄漏等級(jí)等要求很高。由于球閥具有開關(guān)速度快、流道平緩、流通能力大、密封性能好等優(yōu)點(diǎn)，因而在煤氣化裝置氧氣管線上普遍選用氣缸推動(dòng)的硬密封球閥作為氧氣切斷閥，同時(shí)要求雙向密封，又普遍采用硬密封固定球閥。

2 氧閥故障及原因分析

現(xiàn)有煤氣化裝置中氧氣管線上的氧閥普遍采用進(jìn)口閥門，但是從實(shí)際的使用效果來(lái)看，效果并不理想，主要故障表現(xiàn)為氧閥開關(guān)卡澀及氧氣泄漏。

2.1氧閥開關(guān)卡澀原因分析

輸氧管線中的氧閥大多為硬密封固定球閥，由于脫油、脫脂的原因，摩擦面為干摩擦，其摩擦系數(shù)與潤(rùn)滑摩擦的摩擦系數(shù)相比成倍增加，因而會(huì)造成閥門的摩擦磨損。90%以上的摩擦磨損為附著磨損和氧化磨損，這兩者之間，又以附著磨損為主。

1) 附著磨損，即在密封面硬質(zhì)合金之間存在的黏結(jié)現(xiàn)象，當(dāng)兩個(gè)固體表面擠壓在一起，在高壓、高溫、脫脂以及干燥環(huán)境中開關(guān)時(shí)，兩固體表面局部位置非常容易發(fā)生微觀焊接現(xiàn)象，造成摩擦系數(shù)增加，甚至導(dǎo)致密封材料的損傷，密封面拉傷。典型表現(xiàn)就是氧閥使用一段時(shí)間后，閥門扭矩大幅增加，甚至無(wú)法開關(guān)到位。

2) 氧化磨損是在摩擦過(guò)程中，由于溫度升高，涂層表面的化學(xué)活性得到提高，涂層會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的氧化腐蝕，在滑動(dòng)的過(guò)程中，該氧化層脫落，導(dǎo)致里層的涂層裸露出來(lái)，而裸露出來(lái)的涂層又將被進(jìn)一步腐蝕，如此重復(fù)進(jìn)行下去，直至密封面拉傷，開關(guān)卡澀。

值得注意的是氧閥的開啟壓差很大，且溫度較高，再加上氧閥經(jīng)過(guò)脫脂和干燥后，摩擦系數(shù)相對(duì)于普通密封面成倍的增加，導(dǎo)致密封面摩擦力較大，開關(guān)所需的克服摩擦力所做的功大部分轉(zhuǎn)化為熱能，導(dǎo)致密封面的溫度升高，加劇了附著磨損和氧化磨損的趨勢(shì)。

從上述的分析中可以看出，氧閥對(duì)于密封面硬質(zhì)合金涂層的要求近乎苛刻。如果選用不合適，密封面很可能拉傷，造成閥門扭矩增大，開關(guān)卡澀，如遇油脂等可燃物或細(xì)小顆粒，甚至發(fā)生爆炸。發(fā)生爆炸是由于開關(guān)瞬間，氧氣的流速極快，形成局部高溫，導(dǎo)致氧化加快甚至直接擦出火花；還有可能形成局部靜電積聚，高壓起弧，兩者都將引發(fā)著火甚至爆炸。從國(guó)外氧閥密封面的使用情況來(lái)看，除極少數(shù)品牌閥門外，密封面的整體壽命比較短，即使是極少數(shù)的品牌閥門，這幾年的產(chǎn)品質(zhì)量也呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，無(wú)法很好地滿足現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際使用需求，存在很大的安全隱患。

2.2氧閥泄漏原因分析

氧閥泄漏包括內(nèi)泄漏和外泄漏，下面詳細(xì)分析造成內(nèi)外泄漏的原因。

1) 氧閥外泄漏。固定球閥為球體固定，閥座浮動(dòng)，閥門在上游充壓后，閥座受介質(zhì)力的作用緊密貼緊球體，并將介質(zhì)力傳遞給球體，而目前進(jìn)口氧閥的結(jié)構(gòu)普遍采用閥桿承受球體傳遞的介質(zhì)力，導(dǎo)致閥桿會(huì)產(chǎn)生一定的偏斜，閥桿填料腔不再固定、封閉，在開關(guān)一段時(shí)間后，填料可能被擠壓變形，造成泄漏。法蘭密封泄漏是另一種常見(jiàn)的氧閥外泄漏，主要與采用O型圈密封結(jié)構(gòu)相關(guān)，受氧氣強(qiáng)氧化性的影響，在氧氣中使用的O型圈，較普通工況下O型圈更易老化，使用壽命更短，而且O型圈在裝配過(guò)程中容易刮傷而不被發(fā)現(xiàn)，留下巨大隱患。氧閥的外泄漏嚴(yán)重影響了現(xiàn)場(chǎng)工人操作的安全性和開車進(jìn)度，必須杜絕。

2) 氧閥內(nèi)泄漏。內(nèi)泄漏的原因包括： 上述所述的密封面拉傷造成的泄漏，閥座尾部與閥體間O型圈老化造成的泄漏?；陂y座與閥體間采用柔性石墨密封的難度較大，而目前又沒(méi)有其他合適的密封材料替代，因而部分進(jìn)口氧閥閥座與閥體間依舊采用O型圈密封，且因?yàn)镺型圈在氧氣介質(zhì)中的使用效果較差，所以此部分進(jìn)口氧閥無(wú)法保證長(zhǎng)久穩(wěn)定良好密封。

3 解決方案

從上述分析中可以得出，影響氧閥使用壽命的因素包括： 密封面硬質(zhì)合金涂層的選擇；閥門的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；閥門零部件材質(zhì)選擇；閥門加工、裝配、清洗及檢驗(yàn)等相關(guān)工藝過(guò)程質(zhì)量控制。要提高氧閥的可靠性和使用壽命，保證氧閥的使用安全性，必須從以上幾個(gè)因素入手。

3.1整體解決方案

結(jié)合高溫輸氧管線中工藝運(yùn)行的特點(diǎn)，主要采用以下幾點(diǎn)改進(jìn)措施：

1) 在密封面材料選擇上，通過(guò)大量的試驗(yàn)，對(duì)幾百種密封副材料進(jìn)行配比試驗(yàn)，從中挑出了具有超強(qiáng)工況針對(duì)性、抗黏結(jié)性、抗氧化性、良好導(dǎo)熱性及導(dǎo)電性的氧閥專用材料。該硬質(zhì)合金涂層徹底解決了高壓、高溫、純凈氧氣氣體工況下硬質(zhì)合金黏結(jié)、氧化、熱量積累以及靜電放電等難題，正常運(yùn)行條件下，可以保證30年內(nèi)硬質(zhì)合金涂層無(wú)損傷。該材料相比其他硬質(zhì)合金材料，無(wú)論在耐磨性能還是使用壽命上都得到了很大的提升。

2) 采用定量壓縮、雙軸承、開口碟簧補(bǔ)償?shù)冉Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，保證高溫、常溫和低溫下開關(guān)扭矩穩(wěn)定及開關(guān)到位；流道采取平滑設(shè)計(jì)，銳邊倒圓角，使整個(gè)流道平緩、無(wú)沖擊場(chǎng)合存在；利用雙滑塊承受所有的閥桿徑向力，保證閥桿不偏斜，如圖1所示；同時(shí)動(dòng)態(tài)彈簧承載盤根的設(shè)計(jì)保證外泄漏滿足EPA 和TA-LUFT標(biāo)準(zhǔn)。

圖1 氧閥局部示意

3) 閥門零件材料的選擇嚴(yán)格按照Oxygen Pipeline Systems(IGC Doc 13/02/E)文件的要求，并根據(jù)高溫輸氧管線快開快關(guān)、高壓差開關(guān)的特點(diǎn)，內(nèi)件材料選用壓力免除材料和阻燃材料，保證內(nèi)件摩擦不起火。與此同時(shí)，所有與介質(zhì)接觸部位密封材料都采用無(wú)油防剝離石墨，不使用O型圈，可以防止O型圈在使用后老化導(dǎo)致的外泄漏和內(nèi)泄漏事故。

4) 保證嚴(yán)格的過(guò)程工藝控制。清洗過(guò)程嚴(yán)格按照歐洲4WPI-SW70003《氧氣清洗和檢查驗(yàn)收要求》的規(guī)定進(jìn)行零部件的脫油、脫脂處理；閥門的裝配、包裝都在潔凈車間內(nèi)進(jìn)行，潔凈車間設(shè)計(jì)滿足GB 50073《潔凈廠房設(shè)計(jì)規(guī)范》。

3.2實(shí)際應(yīng)用及維修案例

3.2.1應(yīng)用案例

做完這些，高潮感覺(jué)心中輕松了不少。他突然想到了“詩(shī)的妾”，這個(gè)時(shí)候，她應(yīng)該到溫州了吧？說(shuō)不定，她已經(jīng)從她老公的被窩里提溜出一個(gè)光溜溜的小三呢。想到這里，高潮迅速登陸QQ，卻發(fā)現(xiàn)“詩(shī)的妾”的頭像是灰色的。

2012年4月初，某公司高溫輸氧管線上的所有進(jìn)口氧閥在試車過(guò)程中，出現(xiàn)嚴(yán)重的開關(guān)卡澀及內(nèi)泄漏現(xiàn)象，一些閥門甚至無(wú)法正常啟閉，嚴(yán)重影響了裝置的開車進(jìn)度。為此，該公司對(duì)氧閥進(jìn)行維修，故障氧閥在解體維修時(shí)發(fā)現(xiàn)以下問(wèn)題：

1) 閥桿與軸套及閥桿與軸承之間有嚴(yán)重的咬傷。

2) 軸套、軸承本身存在明顯的硬化層脫落現(xiàn)象。

3) 通過(guò)對(duì)硬化層材質(zhì)的檢測(cè)，確認(rèn)軸套及軸承材質(zhì)為316鍍鎳。

4) 閥桿為Inconel 625，未做任何硬化處理。

5) 閥球和閥座存在密封面拉傷，密封面材料為FS22，鎳含量過(guò)高。

6) 閥桿和閥體之間只有1只軸承，軸承沒(méi)有硬化處理。

理論和實(shí)踐都證明，兩種高鎳合金作為摩擦副材料在氧氣環(huán)境中使用是不合理的，因?yàn)殒嚮辖鸨旧碛休^大的黏性，所以兩種鎳基材料配對(duì)干摩擦?xí)r必然產(chǎn)生附著磨損。同時(shí)，鍍鎳層一般都非常薄，容易脫落，不適合用在高壓場(chǎng)合。

針對(duì)上述出現(xiàn)的問(wèn)題，對(duì)該閥門原設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)做了以下技術(shù)方面的改進(jìn)：

1) 重新加工軸套、軸承、閥桿，并硬化處理。

2) 剝離原閥球的硬質(zhì)合金層，重新噴涂氧閥專用硬密封材料。

3) 重新加工閥座，噴涂氧閥專用硬密封材料。

4) 原單軸承結(jié)構(gòu)改為雙軸承結(jié)構(gòu)，大大降低了閥門的開關(guān)扭矩。

5) 優(yōu)化填料函處結(jié)構(gòu)，保證外密封的可靠性。

6) 增加閥座處碟簧預(yù)緊力，保證內(nèi)密封達(dá)到ASME B16.104 Ⅵ級(jí)密封要求。

在閥門檢驗(yàn)時(shí)額外增加了高壓脫脂環(huán)境下全壓差開關(guān)200次的試驗(yàn)，結(jié)果密封和開關(guān)性能依然良好，卡澀問(wèn)題和泄漏徹底解決。

4 氧閥選擇的建議

針對(duì)氧閥的特殊性、目前用戶的認(rèn)識(shí)誤區(qū)以及氧閥問(wèn)題的頻發(fā)性，提出以下選擇建議：

1) 應(yīng)區(qū)分高壓、高溫和低壓、低溫工況，低溫、低壓工況的應(yīng)用業(yè)績(jī)不能作為煤化工氧閥選擇的依據(jù)。

2) 須超過(guò)兩年以上的成功應(yīng)用才能作為使用業(yè)績(jī)。因?yàn)榇蠖鄶?shù)企業(yè)氧閥一年的開關(guān)次數(shù)不會(huì)超過(guò)30次，而一般的密封面材料也可以在50次開關(guān)內(nèi)不出現(xiàn)黏結(jié)和氧化損傷，所以兩年的成功應(yīng)用是有效的應(yīng)用業(yè)績(jī)的分水嶺。

3) 對(duì)于高壓、高溫氧閥，不應(yīng)使用O型圈。即使是認(rèn)證過(guò)可用于氧氣工況下的O型圈也無(wú)法保證穩(wěn)定的使用壽命。

4) 小口徑氧閥宜選用浮動(dòng)球結(jié)構(gòu)，大口徑氧閥考慮到執(zhí)行器的成本因素，選用固定球時(shí)，一定要有防止閥桿受力的結(jié)構(gòu)，這樣可以保證外密封的可靠性。

5) 流通通道需光滑，閥座等零部件不能出現(xiàn)尖角，不能有刮刀，刮刀和零部件的尖角非常容易引起熱量積聚和靜電放電。

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)進(jìn)口氧閥在運(yùn)行過(guò)程中問(wèn)題頻出的現(xiàn)象，提出了氧閥國(guó)產(chǎn)化的課題。某公司采用先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念結(jié)合自身的閥門制造經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)不斷探索生產(chǎn)出了全新的氧閥，實(shí)際的使用效果說(shuō)明，該氧閥無(wú)論在密封性能、使用壽命還是使用的安全性上，相比現(xiàn)有氧閥都有了較大的提升。同時(shí)，通過(guò)該氧閥的成功運(yùn)用，表明氧閥國(guó)產(chǎn)化的技術(shù)已經(jīng)成熟。另外，高壓、高溫氧閥的技術(shù)也可以應(yīng)用于高壓、高溫氫閥以及其他一些干燥高溫、脫脂環(huán)境應(yīng)用的氣體，這些氣體閥門的問(wèn)題也隨著氧閥的問(wèn)題一并解決。

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LocalizationandApplicationofOxygenOn-offValveinCoalGasificationDevice

Yan Chunming1， Yan Qibin2， Wu Bin2， Gong Zhaoming2， Deng Changsong2

(1. Sinopec Ningbo Engineering Co. Ltd., Ningbo， 315103， China；2. Suzhou Antiwear Valves Co. Ltd., Suzhou， 215200， China)

The project of oxygen valve domestically is put forward based on the condition that oxygen on-off valves applied in high temperature and pressure conditions are mainly imported and generally fault exists during application of valve. On the basis of study of the fault and damage of imported oxygen valves, the causes of the fault and damage are investigated. A novel oxygen on-off valve with good quality has been manufactured successfully with improved technology for current structure and new design concept and method. The practical application shows this new oxygen on-off valve can replace imported valve used in oxygen transportation pipeline with long-term stable operation. Suggestion on how to select oxygen on-off valves also is given.

oxygen on-off valve; high temperature; high pressure differential； leakage; unsmooth; safe

稿件收到日期： 2013-01-11。

嚴(yán)春明(1965—)，男，1987年畢業(yè)于華東化工學(xué)院生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化專業(yè)，現(xiàn)就職于中石化寧波工程公司電控室，長(zhǎng)期從事石油化工自控專業(yè)工程設(shè)計(jì)與管理工作，任高級(jí)工程師。

TQ546.4

B

1007-7324(2013)03-0048-03