甲醇?xì)饣b置黑水角閥國產(chǎn)化技術(shù)應(yīng)用

邊勝利

（中國石化長城能源化工（寧夏）有限公司儀表中心，寧夏靈武 750409）

0 引言

中國石化長城能源化工（寧夏）有限公司甲醇運(yùn)行部氣化裝置采用GE 公司的徳士古水煤漿氣化技術(shù)，配置3 臺氣化爐以煙煤為原料生產(chǎn)甲醇50 萬噸/年、10萬噸/年一氧化碳、6000 噸/年氫氣的一體化項目，高壓閃蒸系統(tǒng)黑水角型調(diào)節(jié)閥采用美國福斯FLOWSERVE Survivor/A ngle，閥門位號：FV-021304A1/B1/C1-2；工藝參數(shù)：介質(zhì)黑水，最大關(guān)閉差壓6.33 MPaG，溫度246 ℃，口徑3"，壓力等級CL900。

1 高壓黑水角型調(diào)節(jié)閥

2014 年1 月甲醇運(yùn)行部開始投料生產(chǎn)運(yùn)行9個月后，6 臺高壓角閥陸續(xù)出現(xiàn)流量無法穩(wěn)定控制，離線檢查發(fā)現(xiàn)角閥閥芯、閥座、下閥套沖刷磨損嚴(yán)重，WC 燒結(jié)出現(xiàn)損壞，閥門調(diào)節(jié)性能下降，影響裝置運(yùn)行操作見圖1和圖2，同時閥門配套的大小頭變徑法蘭頸部文丘里附近出現(xiàn)孔洞，造成氣化爐停車或采取帶壓堵漏修補(bǔ)變徑短接見圖3和圖4。

圖1 高壓角閥使用前

圖2 閥芯閥座磨損

圖3 文丘里使用前

圖4 文丘里補(bǔ)焊后

2 閥門磨損原因分析

2.1 閥芯損壞情況

閥芯在A，B，C 等3 處有損壞（圖2），其中A 處損壞最為嚴(yán)重最大沖刷汽蝕深度3 mm 左右，B 點(diǎn)主要是汽蝕導(dǎo)致尺寸變小5 mm 左右，C 點(diǎn)噴涂層剝落，通過殘留看，原來閥門表面耐磨噴涂層小于1 mm。

2.2 閥座損壞情況

閥座E 處見圖2，主要是汽蝕導(dǎo)致尺寸變形3 mm 左右，D處主要是沖刷尺寸略微減小。

2.3 損壞分析

角閥處于最小開度時見圖5，閥芯B 處距離閥座上表面D距離較小，高壓介質(zhì)在此處形成第一道節(jié)流，節(jié)流后壓力不能迅速恢復(fù)到飽和蒸氣壓以上，故在B 和D 的接觸面上形成了閃蒸汽蝕，所以才會看到照片中情況。照片中的沖刷是由于高壓含固介質(zhì)高流速運(yùn)動，摩擦節(jié)流元件表面導(dǎo)致。原閥門采用的是表面噴涂耐磨材料技術(shù)，閥芯的基材物理性能和耐磨層的物理性能差別很大，由于耐磨層比較薄，很容易被沖刷一個小口，一旦有小缺口產(chǎn)生耐磨層會慢慢從基材上剝落，從而出現(xiàn)上述現(xiàn)象，另由于采用噴涂技術(shù)耐磨層和基材的結(jié)合強(qiáng)度，兩者硬度差較大，從而本身就比較容易剝落。

圖5 角閥開度

3 初次改造方案

2015 年經(jīng)中心聯(lián)系國外公司采購備件，廠家報價較高，供貨周期27 周，嚴(yán)重影響甲醇運(yùn)行部檢修進(jìn)度。聯(lián)系國內(nèi)閥門制造單位某工廠進(jìn)行分析閥內(nèi)件損壞原因，重新計算CV（Circulation Volume，流量系統(tǒng)）值，調(diào)整WC（Wolfram Carbide，碳化鎢）配比，提高硬度并加工測繪備件，經(jīng)分析因閥門開度較小，出現(xiàn)閃蒸汽氣蝕沖刷，由于高壓含固介質(zhì)高流速運(yùn)動，當(dāng)介質(zhì)通過閥芯達(dá)到下閥套時，此時壓力降低至介質(zhì)飽和壓力，產(chǎn)生氣蝕，加之介質(zhì)在此時為高流速，因而使介質(zhì)產(chǎn)生帶高能量氣泡碰撞閥芯、閥座及下閥套摩擦節(jié)流元件表面導(dǎo)致出現(xiàn)閃蒸汽蝕，通過重新設(shè)計流道和更改碳化鎢配方給予解決，現(xiàn)場測繪重新計算CV 值，調(diào)整WC 配比提高硬度加工兩套閥內(nèi)件，使用3 個月下線檢查，發(fā)現(xiàn)部分閥芯閥座出現(xiàn)磨損現(xiàn)象（圖6 和圖7）。

圖6 國內(nèi)某工廠閥芯

圖7 國內(nèi)某工廠閥座

4 最終方案

2017 年5 月公司通過浙江理工大學(xué)博士研究站、南京自控有限公司及中國石化寧夏能化儀表中心三家聯(lián)合對角閥的磨損、結(jié)構(gòu)、閥門使用技術(shù)攻關(guān)，浙江理工大學(xué)博士研究站通過研究認(rèn)為高壓角閥在煤化工領(lǐng)域的應(yīng)用極為廣泛，長期承受高溫、高壓差工況及液—固沖刷，且在減壓過程中易發(fā)生閃蒸，具有沖蝕磨損和氣蝕失效的雙重風(fēng)險。GE 煤化工系統(tǒng)氣化和渣水處理裝置的黑水角閥在運(yùn)行過程中出現(xiàn)了嚴(yán)重的閥芯磨損，閥體及閥座后流道沖蝕、氣蝕、閥瓣脫落和閥門卡塞等現(xiàn)象，黑水角閥出口的文丘里擴(kuò)管已出現(xiàn)明顯的局部減薄和穿孔現(xiàn)象，不僅影響企業(yè)的生產(chǎn)計劃、成本與效益，而且還嚴(yán)重威脅著安全生產(chǎn)，已成為制約煤氣化裝置長周期穩(wěn)定運(yùn)行的重要障礙，研究主要項目有黑水系統(tǒng)的工藝過程及失效機(jī)理研究；黑水流道液固兩相流動磨損預(yù)測研究；閃蒸閥文丘里擴(kuò)管氣蝕失效預(yù)測研究；管道閥門流動腐蝕失效分析及防控方案研究；管閥系統(tǒng)耐流動腐蝕成套工程優(yōu)化及運(yùn)行指南，提供2 種以上黑水角閥系統(tǒng)耐流動腐蝕創(chuàng)新設(shè)計方案，確保黑水管閥系統(tǒng)的最大沖蝕磨損率降低20%以上，提供黑水角閥專家診斷監(jiān)管系統(tǒng)1 套。

2017 年7 月公司通過浙江理工大學(xué)博士研究站、南京自控有限公司對南京惠生化工有限公司高壓角閥考察，評估高壓角閥應(yīng)用情況，對比現(xiàn)場的實際工況、介質(zhì)壓力、壓差、操作過程等，對高壓角閥的閥內(nèi)件損壞的原因進(jìn)行分析，經(jīng)分析原因得出由于閥門閥位一直處于小開度調(diào)節(jié)，介質(zhì)的流速高，易出現(xiàn)閃蒸汽、氣蝕沖刷，由于介質(zhì)中含有顆粒且高流速運(yùn)動，當(dāng)介質(zhì)（液固）兩相流經(jīng)角閥閥芯與閥座之間的“間隙”減壓后夾雜在黑水中的硬質(zhì)顆粒以切削、梨溝和刺入的方式對閥內(nèi)件進(jìn)行高速沖刷形成沖蝕，在節(jié)流口處靜壓能最低，若縮截面處的壓力等于或小于該液體入口溫度下的飽和蒸汽壓時部分氣體將氣化，使閥門形成氣、固、液這三相流共存的現(xiàn)象，出現(xiàn)閃蒸，繼而壓力恢復(fù)至高壓飽和蒸汽壓時氣泡破裂，造成閥芯、上下閥座被沖刷、閃蒸、氣蝕形成破壞點(diǎn)，由于流速、閥位、溫度等原因加速了閥芯、上下閥座沖刷損壞的速度最終導(dǎo)致閥門由于內(nèi)件的沖刷、損壞失去調(diào)節(jié)功能，造成裝置無法正常生產(chǎn)。

2018 年3 月中心試用南京自控高壓黑水角閥TS271020P-2020 系列，閥門規(guī)格型號VPAS-DN80-ANSI900，該高壓單座角閥是一種頂導(dǎo)向的單座角閥，流向為側(cè)進(jìn)底出，進(jìn)口和出口采用不同的口徑，出口口徑為擴(kuò)徑，閥體設(shè)計為球形，壓降損失小，流量大，可調(diào)范圍廣，介質(zhì)不易在閥體腔內(nèi)沉積，適用于壓差大，介質(zhì)含有固體顆粒等黑水工藝條件惡劣的場合，閥芯采用整體碳化鎢，并采用直徑加粗的閥桿導(dǎo)向，提高剛性，抗震抗沖擊性能好，閥桿噴涂硬質(zhì)合金，提高閥門的耐磨性，閥座及下擴(kuò)散段流道內(nèi)襯碳化鎢，執(zhí)行機(jī)構(gòu)為氣缸執(zhí)行機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)緊湊，輸出力大，具有耐沖蝕單座角閥是一種針對煤化工環(huán)境下的高壓差，介質(zhì)為含有固體顆粒的液體，存在閃蒸，空化及沖刷嚴(yán)重的場合而設(shè)計的高壓角閥，經(jīng)過試用運(yùn)行周期已超過6 個月，下線檢查閥門磨損較小，運(yùn)行穩(wěn)定，閥門開度控制在25%左右，達(dá)到進(jìn)口閥門使用周期（圖8 和圖9）。

圖8 使用后的閥芯

圖9 使用后的閥座

5 南京自控高壓黑水角閥特點(diǎn)

（1）閥門維修方便。閥門的設(shè)計考慮到零部件的易更換性，可以在現(xiàn)場方便的更換閥芯、閥桿、閥座和填料等零部件，整閥的維護(hù)十分方便。

（2）流道設(shè)計流暢。閥體流道采用流線型設(shè)計，介質(zhì)在閥內(nèi)流動時，沒有急轉(zhuǎn)彎或滯流點(diǎn)，可最大限度地減小流阻及沖蝕。

（3）材料選擇考究。流體經(jīng)過閥座喉部時，其壓力降低到介質(zhì)在此溫度的飽和蒸汽壓以下，介質(zhì)被氣化形成固、液、氣三項流，閃蒸介質(zhì)及固體顆粒沖蝕會對普通材料造成破壞，所以閥頭及閥座選擇耐沖蝕、耐腐蝕的硬質(zhì)合金碳化鎢。

（4）采用上下導(dǎo)向管結(jié)構(gòu)。上下導(dǎo)向管可以使閥桿更穩(wěn)定的動作，而且下導(dǎo)向管不但可以刮除粘結(jié)在閥桿上附著物，有效地防止填料腔內(nèi)結(jié)硅，又可抑制閥桿振動。

（5）采用彈簧返回式雙作用氣缸。不用增加儲氣罐即可實現(xiàn)故障位置的開關(guān)，而且增大了閥門的輸出力，提高了穩(wěn)定性以及調(diào)節(jié)精度。

6 高校課題研究

浙江理工大學(xué)博士研究站在2017 年5 月與寧夏能化建立技術(shù)項目攻關(guān)小組，開展數(shù)據(jù)收集建立黑水系統(tǒng)管道閥門流動腐蝕預(yù)測防控工程優(yōu)化課題，針對煤化工黑水系統(tǒng)普遍存在的沖蝕磨損和氣蝕失效，擬開展含氣液相變的氣—液—固三相流對黑水角閥及配套文丘里擴(kuò)管的流動腐蝕機(jī)理、數(shù)值模擬和實驗研究。通過基礎(chǔ)理論體系的研究，揭示黑水系統(tǒng)的流動腐蝕機(jī)理；結(jié)合流體動力學(xué)仿真，建立閥門、管道的磨損和氣蝕的失效表征和預(yù)測方法；通過對沖蝕磨損/氣蝕實驗數(shù)據(jù)的回歸分析，形成黑水系統(tǒng)流動腐蝕校核方法；基于失效預(yù)測及校核方法，針對黑水角閥及配套文丘里擴(kuò)管開展耐流動腐蝕結(jié)構(gòu)優(yōu)化，提出黑水系統(tǒng)設(shè)計、選材、制造、運(yùn)行等閉環(huán)管理措施，形成具有自主知識產(chǎn)權(quán)的黑水系統(tǒng)耐流動腐蝕成套設(shè)備及關(guān)鍵技術(shù)，從根本上提高黑水系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性和本質(zhì)安全。

6.1 工作目標(biāo)

（1）提供黑水角閥系統(tǒng)流動腐蝕失效分析報告，流動腐蝕失效形式≥2 種。

（2）提供2 種以上黑水角閥系統(tǒng)耐流動腐蝕創(chuàng)新設(shè)計方案，確保黑水管閥系統(tǒng)的最大沖蝕磨損率降低20%以上。

（3）提供黑水角閥專家診斷監(jiān)管系統(tǒng)，可實現(xiàn)20 通道以上數(shù)據(jù)采集，實時動態(tài)監(jiān)測6 種以上失效控制參數(shù)；黑水角閥及配套文丘里擴(kuò)管數(shù)據(jù)模型，切實提高現(xiàn)有裝備的運(yùn)行適應(yīng)性、可靠性和安全性。

6.2 研究方法

（1）通過腐蝕調(diào)查、腐蝕案例分析，整理流動腐蝕失效基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，進(jìn)行煤化工系統(tǒng)氣化和渣水處理過程工藝關(guān)聯(lián)分析，研究黑水角閥系統(tǒng)內(nèi)操作條件與流動腐蝕狀態(tài)關(guān)聯(lián)關(guān)系，確定影響多相流沖蝕磨損及氣蝕的關(guān)鍵因素，明確黑水角閥系統(tǒng)失效機(jī)理。

（2）選擇典型工況和介質(zhì)物性參數(shù)，針對黑水角閥系統(tǒng)進(jìn)行流體動力學(xué)建模和仿真，獲得不同黑水角閥及文丘里擴(kuò)管處不同區(qū)域的流速、壓力、相分率等關(guān)鍵流體動力學(xué)參數(shù)分布規(guī)律，確定磨損/氣蝕的高危區(qū)域。

（3）運(yùn)用旋轉(zhuǎn)式液固兩相流沖蝕磨損實驗裝置，針對黑水角閥系統(tǒng)不同材料表面硬化工藝，進(jìn)行不同轉(zhuǎn)速、沖擊角度、含固率等對典型材料的沖蝕磨損率影響規(guī)律；運(yùn)用空化水洞試驗平臺，開展不同進(jìn)出口壓力、流量、閥門開度等工況下的模型閥門的空化實驗，提出黑水角閥系統(tǒng)氣蝕失效的表征參數(shù)和評價方法。

（4）進(jìn)行液固兩相流沖蝕磨損實驗以及閥門氣液相變實驗的數(shù)值模擬，將數(shù)值計算與實驗結(jié)果進(jìn)行對比，驗證數(shù)值計算模型和方案的準(zhǔn)確性，實現(xiàn)定量計算。

（5）進(jìn)行黑水角閥系統(tǒng)的磨損—?dú)馕g協(xié)同作用的失效模式研究，構(gòu)建的流動預(yù)測防控體系，進(jìn)行沖蝕磨損及氣蝕等失效關(guān)鍵參數(shù)間的關(guān)聯(lián)分析、數(shù)理建模，形成磨損/氣蝕的狀態(tài)監(jiān)測方案，研發(fā)在線診斷監(jiān)管系統(tǒng)。

（6）基于流動腐蝕預(yù)測，對黑水角閥閥芯、閥座、縮流截面、文丘里管擴(kuò)張角度等進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化，對黑水角閥材料、硬化涂層進(jìn)行選材優(yōu)化，提出閥門的設(shè)計選材及運(yùn)行工藝優(yōu)化方案，形成管閥系統(tǒng)耐氣蝕、磨損成套工程優(yōu)化技術(shù)。

6.3 課題意義

黑水系統(tǒng)在煤化工領(lǐng)域的應(yīng)用極為廣泛，是煤氣化裝置的重要系統(tǒng)之一。該系統(tǒng)長期在高溫、高壓差及液—固沖刷等嚴(yán)苛工況下運(yùn)行，且介質(zhì)在減壓過程中易發(fā)生閃蒸，具有沖蝕磨損和氣蝕失效的雙重風(fēng)險。目前，德士古煤化工系統(tǒng)氣化和渣水處理裝置的黑水角閥在運(yùn)行過程中出現(xiàn)了嚴(yán)重的閥芯磨損，閥體及閥座后流道沖蝕、氣蝕、閥瓣脫落和閥門卡塞等現(xiàn)象；黑水角閥出口的文丘里擴(kuò)管已多次出現(xiàn)明顯的局部減薄和穿孔泄漏，不僅影響企業(yè)的生產(chǎn)計劃、成本與效益，而且還嚴(yán)重威脅著安全生產(chǎn)，已成為制約煤氣化裝置長周期穩(wěn)定運(yùn)行的重要障礙。

研究成果在一定程度上促進(jìn)和提升了黑水系統(tǒng)耐流動腐蝕可靠性的發(fā)展，但應(yīng)用過程仍然存在許多局限性，目前黑水系統(tǒng)管道閥門流動腐蝕的防控方法多集中在材料升級、表面工藝技術(shù)提升、流道結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方面。

由于煤化工黑水系統(tǒng)涉及到相變、傳質(zhì)、腐蝕等多因素關(guān)聯(lián)過程，介質(zhì)成分較為復(fù)雜，且流道結(jié)構(gòu)會隨著閥門開度和閥芯的損傷而持續(xù)變化，目前還缺乏針對性的有效預(yù)測防控措施，因此，開展黑水系統(tǒng)的工藝、設(shè)計、制造、運(yùn)行等關(guān)鍵技術(shù)的研究攻關(guān)，完善流動腐蝕防控體系將是未來一段時間內(nèi)發(fā)展的重心，相關(guān)項目研發(fā)成果可為煤氣化黑水系統(tǒng)的長周期安全運(yùn)行樹立示范，并可推廣。

7 效果評價

國內(nèi)閥門生產(chǎn)單位對高壓角閥的技術(shù)攻關(guān)試用及下線檢查，閥內(nèi)件8 個月內(nèi)沒有出現(xiàn)太大的磨損，截止目前還在使用中，延長了國產(chǎn)閥門使用周期，解決制約煤化工高壓角閥長周期運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)難題。

8 結(jié)束語

黑水角閥系統(tǒng)腐蝕防控監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)建，在沖蝕磨損—?dú)馕g機(jī)理及危害源分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合工藝過程的關(guān)聯(lián)分析及實驗獲得的流動腐蝕數(shù)據(jù)庫，針對不同材料、操作工況及工藝過程，開展黑水角閥系統(tǒng)的防控體系研究。通過對黑水角閥系統(tǒng)流動腐蝕的實時狀態(tài)監(jiān)測，建立材料防腐、設(shè)備防腐、工藝防腐，流動腐蝕預(yù)測防控等一系列技術(shù)創(chuàng)新與閉環(huán)管理，實現(xiàn)煤化工裝置長周期安全運(yùn)行。

鑒于黑水系統(tǒng)的原料煤的組分不同工藝操作復(fù)雜、運(yùn)行工況苛刻、介質(zhì)腐蝕性強(qiáng)，影響設(shè)備流動腐蝕失效的因素眾多，缺乏針對性的失效控制及預(yù)防措施，難以從根本上解決黑水角閥系統(tǒng)的失效難題，而國內(nèi)各大公司的煤化工系統(tǒng)中均存在黑水角閥的磨損和氣蝕失效，已嚴(yán)重影響到煤氣化系統(tǒng)的安全生產(chǎn)和長周期運(yùn)行，因此，對黑水系統(tǒng)運(yùn)行可靠性的關(guān)鍵性技術(shù)需求潛力巨大。

耐沖蝕單座角閥是一種針對煤化工環(huán)境下的高壓差，介質(zhì)為含有固體顆粒的液體，存在閃蒸，空化及沖刷嚴(yán)重的場合而設(shè)計的高壓角閥，國外產(chǎn)品價格昂貴，供貨周期長，國內(nèi)閥門廠家經(jīng)過實踐檢驗，具有價格低，可靠性高，設(shè)計成熟，可以滿足工藝條件的需要，是煤化工系統(tǒng)黑水，渣水調(diào)節(jié)控制的理想替代產(chǎn)品。