煤氣化黑水角閥損壞原因與優(yōu)化方案

鄒殿超

(中海石油華鶴煤化有限公司，黑龍江 鶴崗 154100)

中海石油華鶴煤化有限公司煤制化肥項(xiàng)目是坐落于東北黑龍江鶴崗極寒地區(qū)條件下的第1套煤氣化裝置，該煤氣化裝置設(shè)有3臺(tái)氣化爐，為“2開(kāi)1備”，采用GE水煤漿氣化技術(shù)[1-2]，以水煤漿為原料，用空分裝置供給的氧氣作催化劑，在溫度1 400 ℃，壓力6.5 MPa左右的條件下，在氣化爐內(nèi)進(jìn)行氣化反應(yīng)，生成以氫氣和一氧化碳為主要成分的粗合成氣，經(jīng)冷卻洗滌后的粗煤氣送至合成氨裝置。氣化爐和洗滌塔底部黑水通過(guò)角閥控制進(jìn)入高壓閃蒸罐。

1 黑水角閥工況概述

黑水角閥是GE水煤漿煤氣化裝置中的關(guān)鍵閥門(mén)，主要安裝在氣化爐激冷室底部到高壓閃蒸罐和洗滌塔底部到高壓閃蒸罐的管道上，靠近高壓閃蒸罐。在該工況中，介質(zhì)主要為高溫黑水、灰水和渣水，黑水溫度可達(dá)到240 ℃左右，最大壓差可達(dá)到6.0 MPa，工況具有高壓差、強(qiáng)沖刷、強(qiáng)腐蝕、介質(zhì)為固液氣三相流等特點(diǎn)。閥門(mén)使用環(huán)境極為惡劣，黑水、灰水及渣水中含有氯離子、硫化氫或磷酸等強(qiáng)腐蝕介質(zhì)，并含有大量固體顆粒?？刂崎y在使用中不但要承受閥門(mén)壓力降引起的高流速煤灰顆粒的沖刷，還要耐受閃蒸溶解的氣蝕、黑水汽化引起的腐蝕。尤其是在高壓閃蒸過(guò)程中，黑水經(jīng)過(guò)角閥后從高壓直接降到低壓，由于閃蒸出大量工藝氣，黑水流過(guò)角閥節(jié)流元件閥芯的速度非常高，導(dǎo)致閥內(nèi)件沖刷磨損嚴(yán)重。因此，流體在閥門(mén)的流場(chǎng)分布及流速分布對(duì)黑水角閥閥體及閥芯閥座等節(jié)流零部件的使用壽命產(chǎn)生巨大的影響。

黑水角閥的結(jié)構(gòu)可使流體在閥體內(nèi)的流向產(chǎn)生90°變化，流路簡(jiǎn)單、阻力小、滲透少，適用于高壓差、高黏度、含有懸浮物和顆粒物流體的調(diào)節(jié)，可以減少閥內(nèi)堵塞，也便于自清潔，延長(zhǎng)了閥門(mén)的使用壽命，適合于高壓黑水減壓及流量調(diào)節(jié)的工況。

2 黑水角閥使用中出現(xiàn)的問(wèn)題

2.1 閥門(mén)閥體沖穿

2) 黑水角閥運(yùn)行參數(shù)。該閥門(mén)運(yùn)行工藝參數(shù)見(jiàn)表1所列。

表1 氣化爐黑水角閥運(yùn)行工藝參數(shù)

2.2 閥芯與閥套脫落

該項(xiàng)目使用的黑水角閥的閥套與閥芯采用機(jī)械緊固連接。由于黑水的高速?zèng)_擊或流量大范圍波動(dòng)，連接處易出現(xiàn)松動(dòng)，引起閥芯的震動(dòng)；而閥芯材質(zhì)為整體燒結(jié)硬質(zhì)合金，硬度高，脆性大，在該頻繁振動(dòng)的工況下容易出現(xiàn)閥芯震裂、震碎與閥套脫離現(xiàn)象，使閥門(mén)失去調(diào)節(jié)作用。

2.3 角閥的沖刷和氣蝕分析

1) 黑水角閥結(jié)構(gòu)。該閥門(mén)主要由閥體、閥蓋、閥桿、閥芯、閥座和擴(kuò)散段等組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。角閥工作時(shí)，介質(zhì)從左側(cè)入口流入，流經(jīng)閥芯與閥座之間形成的節(jié)流口，再依次經(jīng)過(guò)閥座和擴(kuò)散段后從下側(cè)流出，即側(cè)進(jìn)底出，通過(guò)閥桿的上下移動(dòng)改變閥芯與閥座之間的相對(duì)位置從而改變黑水流量。

2) 閃蒸氣蝕分析。液體流過(guò)調(diào)節(jié)閥時(shí)，在節(jié)流口流速急劇上升，由能量守恒定律可知，速度上升，靜態(tài)壓力p1必然下降，當(dāng)壓力下降到低于液體在當(dāng)前溫度下的飽和蒸汽壓pv時(shí)，便會(huì)汽化，分解出氣體，形成氣液雙相流動(dòng)，該現(xiàn)象為閃蒸。節(jié)流后，速度下降，壓力回升，當(dāng)壓力恢復(fù)超過(guò)pv值后，液體不再繼續(xù)汽化，同時(shí)液體中的氣泡將還原為液體。在流體力學(xué)中證明，該情況下，氣泡內(nèi)的壓力趨近于無(wú)窮大，有較大的壓力產(chǎn)生，會(huì)迫使氣泡破裂，形成強(qiáng)大的壓力沖擊波，對(duì)閥內(nèi)件造成極大損傷，該現(xiàn)象為氣蝕。

圖1 黑水角閥結(jié)構(gòu)示意

3) 根據(jù)黑水固液兩相流經(jīng)角閥減壓后流動(dòng)狀態(tài)分析，介質(zhì)對(duì)閥芯、閥座、閥座后流道主要產(chǎn)生沖刷和氣蝕破壞。在閥門(mén)開(kāi)啟節(jié)流口處其流速急劇增加，根據(jù)能量守恒定律，靜壓能轉(zhuǎn)變成動(dòng)能，并且流動(dòng)狀態(tài)為湍流。夾雜在黑水介質(zhì)中的硬質(zhì)顆粒二氧化硅等，以切割和刺入的方式高速?zèng)_刷閥內(nèi)件，形成破壞力。在節(jié)流口處?kù)o壓能最小，若截面處的壓力不大于該液體入口溫度下的飽和蒸汽壓時(shí)部分液體將汽化，使閥后形成固、液、氣三相流共存的現(xiàn)象，出現(xiàn)閃蒸。繼而壓力恢復(fù)至高于飽和蒸汽壓時(shí)氣泡破裂，形成氣蝕，使閥座后流道內(nèi)表面出現(xiàn)蜂窩狀的小孔。在沖刷和氣蝕的雙重破壞下，即使閥芯、閥座及閥座后流道采用高硬度的耐磨材料和表面硬化處理也很難恰好適合工況要求。閥門(mén)在使用一段時(shí)間后閥內(nèi)件依然出現(xiàn)不同程度的損傷。

2.4 閥門(mén)卡澀和外漏

黑水角閥在運(yùn)行一段時(shí)間后出現(xiàn)閥門(mén)卡澀和外漏故障，主要原因是閥門(mén)在開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)過(guò)程中硬質(zhì)固體顆粒進(jìn)入閥桿與填料的間隙處，經(jīng)長(zhǎng)期運(yùn)行后引起顆粒堆積甚至結(jié)垢而將閥桿卡住，導(dǎo)致閥桿輸出力不足，引起閥門(mén)卡澀。并且填料被硬質(zhì)固體顆粒破壞后極易出現(xiàn)外漏現(xiàn)象[3]。同時(shí)，也存在閥門(mén)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的安全系數(shù)選擇過(guò)小，無(wú)法在正常的氣源壓力下將閥門(mén)正常打開(kāi)，出現(xiàn)卡澀問(wèn)題。

魚(yú)粉、魚(yú)排粉粗灰分含量是魚(yú)粉原料魚(yú)的一種自然屬性表現(xiàn)形式，原料魚(yú)個(gè)體大則骨骼成分含量高。如果將魚(yú)體兩側(cè)的肌肉作為魚(yú)片切除，剩下的魚(yú)排、內(nèi)臟等作為魚(yú)排粉的生產(chǎn)原料，得到的魚(yú)排粉中粗灰分含量就很高。本文中的魚(yú)排粉主要為羅非魚(yú)、越南巴沙魚(yú)的魚(yú)排粉，都是魚(yú)片生產(chǎn)后的魚(yú)排和內(nèi)臟制成的魚(yú)排粉，因此其粗灰分含量大于25%。

2.5 筒體耐磨段和筒體法蘭蓋沖刷腐蝕

1) GE水煤漿煤氣化裝置在正常運(yùn)行過(guò)程中，氣化爐激冷室底部和洗滌塔底部產(chǎn)生的黑水經(jīng)角閥后進(jìn)入高壓閃蒸罐，黑水角閥后設(shè)置筒體，用以減緩高壓黑水對(duì)閃蒸罐的沖擊，高壓閃蒸壓力設(shè)定為0.8 MPa。由于該角閥前后壓差較大，且黑水中含有大量的固體顆粒，約240 ℃的高溫黑水出角閥后瞬間發(fā)生汽化，角閥筒體內(nèi)介質(zhì)流速瞬間增大，加劇了角閥筒體的磨損，嚴(yán)重時(shí)角閥筒體被黑水磨穿，角閥筒體磨穿后大量黑水外溢，外溢黑水不但影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行，還嚴(yán)重影響現(xiàn)場(chǎng)工作環(huán)境[4]。

2) 自裝置開(kāi)車(chē)以來(lái)，黑水角閥閥座及閥芯被沖刷磨損，角閥筒體側(cè)上部多次因沖刷發(fā)生泄漏，嚴(yán)重制約著裝置的穩(wěn)定運(yùn)行，氣化爐停車(chē)檢修期間發(fā)現(xiàn)閥座局部沖刷嚴(yán)重，閥芯表面硬質(zhì)材料磨損嚴(yán)重。分析原因后，確定為閥門(mén)CV值過(guò)大，開(kāi)度變小，黑水流經(jīng)角閥處形成偏流，從而導(dǎo)致閃蒸，角閥閥座出現(xiàn)局部磨損，內(nèi)件磨損腐蝕，引起黑水偏噴現(xiàn)象。

3) 黑水經(jīng)角閥減壓流出后，由于流速在角閥筒體內(nèi)急劇增大，會(huì)有大量固體顆粒的黑水直接噴向角閥筒體底部法蘭蓋，從而造成黑水角閥筒體底蓋磨損嚴(yán)重，曾發(fā)生幾次外漏現(xiàn)象。

3 閥門(mén)使用中預(yù)防措施與閥門(mén)線(xiàn)下優(yōu)化方案

3.1 防護(hù)措施

1) 閥門(mén)在開(kāi)箱驗(yàn)收、安裝調(diào)試過(guò)程中要全面跟蹤確認(rèn)，確保閥門(mén)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)附件完好無(wú)損，閥門(mén)安裝前確保閥體內(nèi)部無(wú)臟亂異物，閥門(mén)法蘭口密封面無(wú)損傷。閥體與管道連接的密封墊采用316不繡鋼加柔性石墨制作而成的雙金屬纏繞墊，特別適用于負(fù)荷不均勻，接合力易松弛，溫度與壓力周期性變化，有沖擊和震動(dòng)的場(chǎng)合。該方法能有效地保證閥門(mén)的密封，確保閥門(mén)無(wú)外漏現(xiàn)象，并確保安裝中閥門(mén)限位調(diào)整精準(zhǔn)。

2) 為了確保閥門(mén)能正常開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)，DCS操作畫(huà)面上應(yīng)能準(zhǔn)確反應(yīng)閥門(mén)的開(kāi)關(guān)動(dòng)作狀態(tài)，確保操作人員能及時(shí)準(zhǔn)確地在DCS監(jiān)控畫(huà)面上發(fā)現(xiàn)閥門(mén)開(kāi)度情況，及時(shí)聯(lián)系維護(hù)人員處理[5]。

3) 加強(qiáng)對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)儀表氣源壓力過(guò)濾減壓閥的巡檢力度，盡量避免因執(zhí)行機(jī)構(gòu)氣缸壓力不足導(dǎo)致閥門(mén)開(kāi)關(guān)不到位的現(xiàn)象發(fā)生，并確保儀表空氣的潔凈與通暢，防止儀表氣源壓力不穩(wěn)造成閥門(mén)開(kāi)度調(diào)整不順暢，增加調(diào)節(jié)時(shí)間，影響閥門(mén)正常使用。

3.2 閥門(mén)線(xiàn)下優(yōu)化方案

3.2.1優(yōu)化閥體內(nèi)腔結(jié)構(gòu)

閥體內(nèi)腔采用標(biāo)準(zhǔn)的角式流線(xiàn)型設(shè)計(jì)，且閥腔內(nèi)過(guò)渡處盡量采用大圓弧設(shè)計(jì)，以避免滯留點(diǎn)和急轉(zhuǎn)彎。若存在流速高、腐蝕性強(qiáng)的惡劣工況，閥體內(nèi)壁還應(yīng)采用噴涂硬質(zhì)合金硬化處理，以提高閥體內(nèi)壁耐沖刷和耐腐蝕能力。閥門(mén)公稱(chēng)直徑及節(jié)流口規(guī)格應(yīng)盡量按照設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)表選型，以提高閥門(mén)的整體性能。

3.2.2優(yōu)化閥芯閥桿與閥套連接結(jié)構(gòu)

閥芯與閥套連接通常采用螺栓鎖緊閥套后再用螺釘緊固防松。從抵抗介質(zhì)側(cè)面沖擊方面分析，優(yōu)化方案為在閥芯和閥套處進(jìn)行外部焊接處理，以保障其安全可靠性。

3.2.3材質(zhì)處理優(yōu)化

黑水角閥的閥芯、閥座應(yīng)采用整體燒結(jié)的硬質(zhì)合金，硬度不小于HRC70。在閥座后流道適當(dāng)距離內(nèi)襯整體燒結(jié)的硬質(zhì)合金，目前國(guó)內(nèi)外角閥生產(chǎn)廠家通過(guò)在閥座流道后襯一段硬質(zhì)合金管，即擴(kuò)散段，硬度大于HRC60，其余流道內(nèi)噴涂碳化鎢或堆焊硬STL合金，一種鈷鉻鎢合金，硬度高，耐熱、耐磨性好、抗腐蝕性強(qiáng)，以減少介質(zhì)對(duì)管內(nèi)件的沖刷和氣蝕破壞。硬質(zhì)合金應(yīng)采用整體燒結(jié)碳化鎢，以提高材料的致密性，增加晶粒間的粘合力，從而保證更好的硬度和強(qiáng)度。

由于氣蝕的嚴(yán)重性往往發(fā)生在金屬表面，也可在閥芯、閥座、閥座后流道處噴涂碳化鎢或堆焊一層硬質(zhì)合金，即表面硬化處理，推薦選用STL合金。

閥門(mén)噴涂碳化鎢和堆焊硬質(zhì)合金相比，噴涂沒(méi)有堆焊結(jié)合度好，噴涂屬于機(jī)械結(jié)合，堆焊屬于冶金融合不會(huì)像噴涂一樣起皮脫落。噴涂的厚度約為0.5 mm，而堆焊的厚度能達(dá)到約3 mm，因此堆焊硬質(zhì)合金的閥門(mén)要耐用一些。該項(xiàng)目選用的黑水閥門(mén)的閥芯和閥座選用堆焊STL硬質(zhì)合金。

3.2.4優(yōu)化執(zhí)行機(jī)構(gòu)和填料密封結(jié)構(gòu)

執(zhí)行機(jī)構(gòu)應(yīng)采用彈簧薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)或免維護(hù)氣缸活塞執(zhí)行機(jī)構(gòu)，若選用氣動(dòng)薄膜時(shí)體積過(guò)大則應(yīng)選氣缸式執(zhí)行機(jī)構(gòu)。在失去儀表氣源或儀表信號(hào)時(shí)，彈簧安全自動(dòng)復(fù)位，控制閥必須回到工藝安全位置。氣源設(shè)計(jì)壓力為0.6 MPa，但要求當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)使用在0.4 MPa氣源壓力下、閥門(mén)承受最高壓差或關(guān)閉時(shí)單向壓差等于最大工作壓力的120%時(shí)，閥門(mén)仍然能夠保持動(dòng)作自如、靈活可靠。所有閥門(mén)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)要計(jì)算推力，以確保在最大壓降下閥門(mén)能可靠開(kāi)啟和關(guān)閉。同時(shí)控制閥最好配備一個(gè)可調(diào)整的機(jī)械限位裝置，當(dāng)輸出控制信號(hào)為零時(shí)，可調(diào)整閥芯離開(kāi)閥座至少 5%，防止因背壓過(guò)高，閥門(mén)無(wú)法打開(kāi)的現(xiàn)象。

黑水角閥的閥桿比較長(zhǎng)，易受介質(zhì)側(cè)面沖擊引起振動(dòng)，因此在設(shè)計(jì)工況允許的條件下，適當(dāng)增加閥桿直徑和對(duì)中導(dǎo)向套數(shù)量，增強(qiáng)閥桿的穩(wěn)定性。黑水角閥應(yīng)適當(dāng)優(yōu)化選型，控制閥門(mén)正常工作開(kāi)度在30%～80%，避免小開(kāi)度工作，減少黑水中的介質(zhì)顆粒對(duì)閥芯與閥套的異常沖擊。

在閥桿密封填料函處必須設(shè)計(jì)有防細(xì)小物料進(jìn)入填料密封系統(tǒng)的自清潔結(jié)構(gòu)，同時(shí)在設(shè)計(jì)允許的條件下，盡可能增大執(zhí)行機(jī)構(gòu)的安全系數(shù)，解決因少量物料堆積引起的閥門(mén)卡澀。

3.2.5閥門(mén)CV值選大優(yōu)化方案

1) 在閥門(mén)后加限流孔板來(lái)消耗一部分壓降，顯然根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況實(shí)現(xiàn)比較困難。

2) 適當(dāng)關(guān)小管路上的手閥，使黑水角閥獲得較為理想的開(kāi)度。

3) 縮小閥門(mén)口徑，由上述計(jì)算公式可知，CV值減小，qm也減小，為保證通過(guò)閥門(mén)的流量不變，必須加大閥門(mén)開(kāi)度，避免了閥門(mén)在小開(kāi)度工作。該方案在經(jīng)費(fèi)允許的情況下，可根據(jù)計(jì)算適當(dāng)換成小口徑閥門(mén)。

3.2.6優(yōu)化筒體和底部法蘭蓋方案

針對(duì)黑水角閥下側(cè)筒體處磨損嚴(yán)重的情況，在裝置停車(chē)檢修期間，在筒體外圍處堆焊鋼板，做加厚處理，延長(zhǎng)使用周期，同時(shí)在筒體內(nèi)增加耐磨襯里，減緩黑水對(duì)角閥筒體的沖刷，從而整體延長(zhǎng)了角閥筒體的使用壽命。針對(duì)高壓黑水對(duì)角閥筒體底蓋的磨損現(xiàn)象，通過(guò)在角閥筒體底部大蓋上堆焊鋼板，增加底板厚度來(lái)解決磨損問(wèn)題。

閥門(mén)長(zhǎng)期工作在惡劣的工況下，磨損不可避免。由于進(jìn)口閥門(mén)的維修費(fèi)用較高，該項(xiàng)目根據(jù)實(shí)際情況，本著降本增效的原則，積極選擇中國(guó)知名維修閥門(mén)企業(yè)維修，以此保證能及時(shí)修復(fù)損壞嚴(yán)重的閥門(mén)，保證裝置的正常生產(chǎn)。

密切關(guān)注國(guó)內(nèi)同行業(yè)同工況下進(jìn)口黑水角閥和國(guó)產(chǎn)黑水角閥在GE水煤漿煤氣化裝置中的使用情況，并和閥門(mén)企業(yè)技術(shù)人員做技術(shù)交流，了解掌握不同閥門(mén)企業(yè)、不同結(jié)構(gòu)的閥門(mén)，通過(guò)對(duì)比研究，逐步實(shí)現(xiàn)閥門(mén)的國(guó)產(chǎn)化。

4 結(jié)束語(yǔ)

該項(xiàng)目自開(kāi)車(chē)以來(lái)，黑水角閥在該工況下基本滿(mǎn)足使用要求，通過(guò)了東北極寒地區(qū)條件下的考驗(yàn)，在GE水煤漿煤氣化裝置中運(yùn)行狀況相對(duì)穩(wěn)定，為氣化爐的安全運(yùn)行提供了保障，從而保證了裝置安全、平穩(wěn)、長(zhǎng)周期滿(mǎn)負(fù)荷的運(yùn)行。黑水角閥也存在著缺陷，仍有完善的空間，本文通過(guò)對(duì)黑水角閥閥芯、閥座的沖刷腐蝕和閥門(mén)氣蝕閃蒸的研究分析，提出了合理優(yōu)化方案，期望對(duì)相關(guān)的生產(chǎn)企業(yè)提供參考性?xún)r(jià)值。