鈦冶金用高頻耐磨球閥的設(shè)計(jì)開發(fā)

孫兵兵，胡高林，耿鵬逞，張娟娟，宋 勇

(洛陽雙瑞特種裝備有限公司 中國船舶重工集團(tuán)公司第七二五研究所，河南 洛陽 471000)

0 概述

氯化裝置是海綿鈦冶煉和氯化法制造鈦白粉企業(yè)的核心裝置，原料經(jīng)氯化反應(yīng)之后，生成四氯化鈦氣體。該裝置主要原料為低品位巖礦，含雜質(zhì)高，工況惡劣，尤其是旋風(fēng)分離排渣等工況，由于物料硬度高、易堆積、腐蝕性強(qiáng)，對閥門的使用提出了較高的要求，其使用壽命是客戶選擇的主要關(guān)注點(diǎn)。

原料在氯化爐中反應(yīng)產(chǎn)生得到的四氯化鈦氣體中包含的固體渣料較多，通常采用旋風(fēng)分離器分離固體渣料。渣料在旋風(fēng)分離器的出口，經(jīng)過兩道閥門，排出到?jīng)_渣罐或沖渣池中。

目前旋風(fēng)分離器出口使用的球閥特點(diǎn)為工作頻率高、磨損、壽命要求高，且當(dāng)四氯化鈦介質(zhì)遇水或空氣中的水蒸氣時(shí)，發(fā)生反應(yīng)的產(chǎn)物存在腐蝕。實(shí)際現(xiàn)場使用中，該壽命要求也常常不能得到滿足，給用戶裝置的連續(xù)運(yùn)行帶來挑戰(zhàn)。

本文結(jié)合云南新立海綿鈦氯化裝置的實(shí)際工況，對其旋風(fēng)分離器出口高頻耐磨球閥展開研究。該工況工藝要求，閥門的操作頻率為2次/min，壽命要求為3個(gè)月，總計(jì)約259 200次。該球閥工作頻率超高，屬于年百萬次級耐磨球閥，設(shè)計(jì)制造難度大，其穩(wěn)定運(yùn)行能給客戶帶來顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

圖1 旋風(fēng)分離器出口球閥位置示意

1 問題分析

該工況為典型的固體顆粒介質(zhì)用快速切斷、工作頻率高、耐磨、耐腐蝕工況，此工況硬密封球閥容易產(chǎn)生的問題有：(1)密封面磨損，指的是閥體主密封(球體與閥座密封)[1-2]；(2)物料堆積、閥門卡死，操作不動，此時(shí)若盲目增大操作力，可能會導(dǎo)致驅(qū)動連的零件如閥桿、聯(lián)軸器損壞；(3)閥門密封不嚴(yán)，導(dǎo)致四氯化鈦和下游或空氣中的水蒸汽混合，分解產(chǎn)生鹽酸，導(dǎo)致閥門腐蝕嚴(yán)重。

應(yīng)對這些問題，應(yīng)合理選擇閥門類型、零件材料、密封結(jié)構(gòu)和適合的涂層及其加工工藝；嚴(yán)格要求閥門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；在制造環(huán)節(jié)，應(yīng)嚴(yán)格控制密封面加工精度，保證球體、閥座密封面較高的配合度，使得密封效果良好、摩檫力小[3-5]。

2 工況參數(shù)

工況基本參數(shù)如下：

公稱通徑 DN300

公稱壓力 PN10

介質(zhì) 四氯化鈦氣體和固體渣料

使用溫度 200 ℃

設(shè)計(jì)溫度 240 ℃

閥門動作頻率 2次/min

行程時(shí)間： ≤10 s

密封性 滿足GB/T 26480—2011要求

操作方式 氣動

手動操作 帶(備用)

使用壽命 ≥3個(gè)月(≥259 200次，年百萬次級)

3 閥門設(shè)計(jì)

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)該閥門工況，結(jié)合其高頻、耐磨、耐腐蝕、防介質(zhì)堆積等要求，從設(shè)計(jì)端對閥門的使用性能進(jìn)行針對性設(shè)計(jì)和調(diào)控，確定該閥門的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為：三體式固定球閥；閥座的密封面加寬設(shè)計(jì)；球體采用樞軸固定；用圓柱彈簧施加預(yù)緊密封力，設(shè)彈簧腔以對圓柱彈簧進(jìn)行保護(hù)；加粗的閥桿設(shè)計(jì)，采用較安全的驅(qū)動鏈設(shè)計(jì)，按公稱壓力選擇驅(qū)動機(jī)構(gòu)，采用氣動雙作用執(zhí)行機(jī)構(gòu)，帶手動液壓操作機(jī)構(gòu)。結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 旋風(fēng)分離器出口高頻耐磨球閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.2 材質(zhì)選擇

因產(chǎn)品可能面臨四氯化鈦分解后產(chǎn)生的酸性腐蝕環(huán)境，因此需要選用具備一定耐腐蝕性能的主體材料。由于球體和閥座零件的表面進(jìn)行硬質(zhì)合金噴涂，故要求其噴涂涂層也具備相對較好的耐腐蝕性能，使得其在局部腐蝕后，涂層不脫落，仍能完成正常的操作和密封。各零件選材如下：

閥體：F304

閥桿：XM-19

球體：F304+Ni60

閥座：F304+Ni55

彈簧：Incoloy X750

螺栓：ASTM A193 B8M CL.2

螺母：ASTM A194 8M CL.2

3.3 設(shè)計(jì)計(jì)算

3.3.1 基本設(shè)計(jì)

最小壁厚，按《GB/T 12224—2015鋼制閥門 一般要求》，并參考《ASME B16.34—2017法蘭、螺紋和焊接端連接的閥門》相應(yīng)材料的溫度壓力額定值，確定閥門的最小壁厚為15 mm。

法蘭端，按《HG/T 20592—2009鋼制管法蘭》。

結(jié)構(gòu)長度，按《GB/T 12221—2005鋼制閥門 結(jié)構(gòu)長度》。

最小通道直徑，按《GB/T 12224—2015鋼制閥門 一般要求》，300 mm。

3.3.2 球體

球體通道直徑按閥門通道直徑，球體直徑按公式(1)，并考慮加工、工況等特點(diǎn)適當(dāng)增大，取480 mm。

D=SQRT(d)+bM

(1)

式中D—球體直徑，mm；

d—流體通道直徑，mm；

bM—密封面寬度，mm。

3.3.3 主密封

密封設(shè)計(jì)應(yīng)滿足密封條件。密封部位包含閥座密封即閥門主密封，閥座與閥體密封，閥體連接密封，閥桿密封等?，F(xiàn)僅介紹主密封的計(jì)算。

q=N/AMH

(2)

qmin≤q≤[q]

(3)

式中N—密封面上的法向力，N；

AMH—密封環(huán)帶面積，mm2；

qmin—必需密封比壓，MPa；

[q]—密封面材料的許用比壓，MPa。

N=FMZ/cosα

(4)

FMZ=FMY+FMJ

(5)

(6)

(7)

AMH=2×π×R×(L1-L2)

(8)

cosα=(L1+L2)/R/2

(9)

(10)

(11)

qmin=c+K×P/SQRT(bM/10)

式中FMZ—閥座密封圈的總作用力，N；

FMY—彈簧對閥座的預(yù)緊力，N；

FMJ—介質(zhì)經(jīng)球體壓在下游閥座密封面上的力，N；

DMW—閥座密封面外徑，mm；

DMN—閥座密封面內(nèi)徑，mm；

qMYmin—閥座預(yù)緊的最小比壓，MPa；

P—介質(zhì)壓力，MPa；

R—球體半徑，mm；

L1—球體中心至密封面內(nèi)徑的距離，mm；

L2—球體中心至密封面外徑的距離，mm；

α—密封中徑方向與通徑軸向的夾角，°；

c—基礎(chǔ)密封比壓系數(shù)，對硬面材料，c=3.5；

K—介質(zhì)壓力系數(shù)，對硬面材料，K=1。

3.3.4 彈簧

閥門一般采用的彈簧有圓柱彈簧、碟形彈簧等。本工況介質(zhì)含爐渣等顆粒物，采用圓柱壓縮彈簧，并設(shè)計(jì)帶防塵功能的彈簧安裝結(jié)構(gòu)，以保證彈簧不被介質(zhì)顆?？ㄗ?，具備長期的使用性能。

3.3.5 轉(zhuǎn)矩

驅(qū)動裝置的輸出轉(zhuǎn)矩，應(yīng)大于閥門啟閉動作時(shí)的摩擦轉(zhuǎn)矩，對固定球閥其組成有：球體/閥座密封面的摩擦轉(zhuǎn)矩、閥桿與填料的摩擦轉(zhuǎn)矩、閥桿與止推墊(平面軸承)的摩擦轉(zhuǎn)矩等。

M=MMF+MTL+MZT

(12)

式中M—盤閥總的摩擦轉(zhuǎn)矩，N·m；

MMF—閥盤/閥座密封面的摩擦轉(zhuǎn)矩，N·m；

MTL—閥桿與填料的摩擦轉(zhuǎn)矩，N·m；

MZT—閥桿與軸承之間的摩擦轉(zhuǎn)矩，N·m。

3.3.6 驅(qū)動裝置

按工作壓力計(jì)算扭矩的2倍進(jìn)行選型，為減小驅(qū)動裝置體積重量，選擇為雙作用氣動執(zhí)行器，同時(shí)配備手動液壓操作機(jī)構(gòu)，作為備用操作方式。

4 密封副涂層及加工

球閥的密封副指球體和閥座，其涂層選用及加工后的精度，也是保證產(chǎn)品使用壽命的重要因素。

球體及閥座密封面的耐磨材料和工藝是金屬硬密封耐磨球閥最重要的技術(shù)之一，密封面耐磨材料及工藝的選用需要考慮使用工況的壓力、溫度、腐蝕性、介質(zhì)硬度等因素。此外，還需要考慮密封面耐磨材料與基體材料的結(jié)合強(qiáng)度、耐磨層的厚度、硬度、孔隙率等多種因素，以及涂層材料對工藝、工況的適用性[3]。

涂層的制作工藝上，目前使用的主流方法有超音速噴涂、熱噴涂、激光熔覆技術(shù)等[5]，其他工藝如堆焊、滲氮、滲硼、鍍鉻，因?yàn)楣に嚪€(wěn)定性、效率、硬化層均勻性、硬度、硬化層厚度等方面存在不足，硬密封球閥基本不采用。

根據(jù)工況的腐蝕性及涂層粉末的工藝性，我們選擇熱噴涂工藝噴涂鎳基合金，鎳是主要成分，也是耐磨材料與基體材料的粘合劑，其他元素包括鉻、硼、硅等，工藝特點(diǎn)是需要高溫加熱基體及鎳基合金材料，噴涂后耐磨材料與基體達(dá)到冶金結(jié)合，涂層特點(diǎn)為結(jié)合強(qiáng)度高、厚度較大(0.5～1.0 mm)、硬度較高。所選用的球體的密封面涂層材質(zhì)為Ni60，硬度為HRC58～63；閥座的密封面涂層材質(zhì)為Ni55，硬度為53～58。

球體、閥座的加工工序?yàn)檐?噴涂-磨-配研。保證球體、閥座表面嚴(yán)密貼合的要點(diǎn)，是將密封副加工到公差要求范圍內(nèi)，再進(jìn)行球體和閥座的配研。配研后，應(yīng)對球體、閥座進(jìn)行的加工狀態(tài)檢測，檢測方法有：三坐標(biāo)檢測、滲透性檢測等，如圖3、圖4所示。

圖3 三坐標(biāo)檢測球體圓度

圖4 用煤油檢測球體/閥座密封面密封性

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

閥門裝配完成后，按照試驗(yàn)《GB/T 26480—2011閥門的檢驗(yàn)和試驗(yàn)》進(jìn)行出廠性能試驗(yàn)。出廠試驗(yàn)合格后，在云南新立海綿鈦氯化裝置旋風(fēng)分離器出口工位上進(jìn)行了三個(gè)多月的實(shí)際工況運(yùn)行，動作次數(shù)已超過26萬次，閥門密封良好、動作順暢、性能優(yōu)異，在壽命上已經(jīng)超過已知同類裝置上耐磨球閥的使用效果，有力保障了用戶裝置的連續(xù)運(yùn)行。

6 結(jié)論

本文敘述了海綿鈦冶煉及氯化法鈦白粉的氯化裝置旋風(fēng)分離器出口高頻耐磨球閥設(shè)計(jì)的思路、方法，并結(jié)合實(shí)際工況，進(jìn)行了設(shè)計(jì)、制造實(shí)踐，經(jīng)過樣機(jī)試用后表明，產(chǎn)品性能良好，壽命長，完全滿足工況的使用需求，其穩(wěn)定運(yùn)行給客戶帶來顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

圖5 旋風(fēng)分離器出口球閥調(diào)試完畢