中分式鎖渣閥（鎖斗閥）的結構設計與研究

張英英，張佳輝，溫智慧

（陜西航天泵閥科技集團有限公司， 陜西 西安 710200）

1 概述

目前國內(nèi)的煤化工行業(yè)煤制氣技術常見的有德士古煤氣化技術、殼牌煤氣化技術、噴嘴對置式氣化技術、魯奇氣化技術、灰熔聚煤氣化技術等。但無論何種煤氣化工藝都存在煤氣化后煤渣排放問題，煤渣排放管路一般安裝在氣化爐激冷室或破渣機下部，安裝有三臺鎖渣閥，其中兩臺安裝在鎖斗進口，一臺安裝在鎖斗出口并與渣池相連，所以該閥也稱鎖斗閥。

由于在排渣過程中存在高溫、高壓、易燃、易爆的氣體和固體顆粒狀介質，且開關頻繁，因此該鎖渣閥必須耐高壓、耐高溫、耐磨損、耐腐蝕且應有良好的密封性。

為滿足以上苛刻工況，鎖渣閥必須從結構設計、材料選擇、耐磨面處理、制造工藝等方面進行深入的研究，提出合適的設計方案。

鎖渣閥的結構型式多樣，基本采用氣動驅動硬密封固定球閥，只是在球體支承及上下軸連接方式上，閥座密封型式和彈性元件的設置及防渣方式有所不同。從左右體的連接方式上可分為中分式結構、兩段式或三段式結構；從閥座的數(shù)量上又可分為單閥座和雙閥座等。

中分式結構中，一體式球體和閥桿，保證了球體的對中性，同時避免了常規(guī)結構中閥門頻繁開關后上下軸松動、傾斜、脫離引起的泄漏等問題，同三段式相比，減少了一對法蘭泄漏點。本文主要探討中分式鎖渣閥的結構設計。

2 使用工況特點

通常排渣管道內(nèi)介質為含固態(tài)礦渣的高溫混合渣水（也稱黑水），渣水中含有水、Cl、H2S、Fe2O3、SiO2、Al2O3等成分，具有一定的腐蝕性。管道內(nèi)最高溫度為270℃，最高壓力可達8.5MPa。

因此鎖渣閥主要使用介質為黑水、煤漿、氮氣、固體粉末及顆粒等混合物，該介質對閥體流道、球體表面及流道、閥座密封面及流道等零部件沖刷和腐蝕很大。

現(xiàn)場使用工況主要有以下特點：

（1）在正常生產(chǎn)條件下，鎖渣閥開關頻繁（大約30min開關一次），往往在全壓差下工作。

（2）工況系統(tǒng)高壓力所形成的高速流體對閥門內(nèi)件，如閥座、閥桿和球體等造成極大沖擊，極易對內(nèi)件表面形成快速沖蝕，使內(nèi)件損壞。

（3）渣水混合物中具有無數(shù)大小不同的硬質顆粒摻雜在高速流體中流動，并有可能使渣粒進入到球體與支承套間滑動摩擦處損壞滑動摩擦面，或夾在球體與閥座接觸面間，引起閥門力矩增大，使閥門無法啟閉或關閉不嚴。

（4）渣水混合物本身具有一定的腐蝕性，容易腐蝕被固體顆粒介質沖擊破壞而暴露的新鮮表面，加速閥門零部件損壞。

（5）渣水混合物的灰渣極易積沉并黏附在球體表面，微小的灰渣甚至會侵入閥座與閥體彈性元件安裝處，造成閥座活塞運動失效，引起力矩增大或球體無法轉動，閥門關閉不嚴而滲漏。

（6）鎖渣閥的口徑一般較大，在高壓力流體介質的作用下，閥門硬耐磨面密封面間產(chǎn)生較大的密封比壓；同時由于啟閉時間要求≤10S，所以閥門實際啟閉力矩遠大于一般流體在相同工作壓力下的力矩，且極易擦傷密封面。

3 中分式結構設計主要技術難點

相對于普通的硬密封球閥，鎖渣閥要適用于高溫、高壓、強沖蝕及強腐蝕等工況條件,還要承受頻繁開關的惡劣工況，設計和制造中存在許多技術難點。主要表現(xiàn)在以下幾方面：

（1）鎖渣閥高壓差下開關頻繁（每30min開關1次），極易造成耐磨面（密封表面）的磨損及脫落。

（2）密封副表面硬度要求高，煤粉顆粒的硬度較高，此工況下在閥門關閉狀態(tài)時要求球體和閥座表面硬度層有較高的硬度，球體和閥座密封面選擇合適的耐磨面材料及與基體的結合處理方法，以防止脫落；閥體以及球體流道的耐磨損和耐沖擊處理方法。

（3）由于采用硬密封結構，球體和閥座的配合幾何公差要求很高；在長期高速顆粒介質沖擊下，保證球體支承穩(wěn)定性和上下軸的同軸心旋轉對閥門的密封性十分關鍵。

（4）中分面上左右體間密封墊片開口處密封問題。

（5）介質中含有大量顆粒，易導致彈性元件卡死；因此對彈簧要求較高，在結構上要充分考慮。

（6）高溫、高壓、高速顆粒沖擊下閥座與閥體間的密封問題。

（7）在閥門的啟閉過程中，由于煤漿的吸附性較強，極易粘在球體表面上，介質顆粒被帶到閥座與球體的密封面之間，破壞了球體與閥座之間的密封副，從而影響閥門的密封性能，使用壽命大大縮短。這就要求閥門具有很好的“防塵”功能，防止球體與閥座間微小顆粒的沉積和粘結，具有密封面間雜質清除功能。

4 解決方案

要生產(chǎn)出高質量長壽命的鎖渣閥，必須解決以上難點。針對這些技術難點，提出以下可行性結構設計方案：

（1）球體和閥座選用不銹鋼鍛鋼，球體表面和閥座密封面采用火焰噴焊鎳基合金，硬度HRC≥60，鎳基合金本身具有高耐磨性能，能抗強烈的機械沖擊及熱沖擊，而且噴焊層硬度、厚度能夠得到保證，適用于腐蝕性介質及帶顆粒的粉末等工況惡劣的介質。該噴焊法耐磨層與基體是冶金結合，加工研磨后噴焊層厚度≥0.8mm，高厚度耐磨層適應頻繁開關的沖擊力，火焰噴焊避免了超音速噴涂方法中噴涂層易脆裂現(xiàn)象。

（2）球體流道和閥座流道噴涂WC；閥體流道表面加耐磨襯套。

（3）球體和上軸為一體式（上軸與球體焊后一同加工），保證了上軸與球體上下支承的對中性，避免了常規(guī)結構中閥門頻繁開關后上下軸松動、傾斜、脫離引起的閥門泄漏等問題；為考慮啟閉安全性，上軸可選用與球體不一樣的材料，高強度不銹鋼如17-4PH。如圖1所示：

圖1 球體及中道密封結構圖

（4）左右體中分式結構同三段式相比，少了一對法蘭泄漏點；同時該結構閥體上部的臺階能阻止一體式球體的飛出，避免了常規(guī)固定球閥額外必須設計一個填料函防飛結構。

（5）左右體密封墊片在中軸孔處為開口式，可考慮設計雙重式石墨密封結構。

（6）彈性元件采用特殊組合彈簧，見圖2。該彈簧為一種金屬外包高溫橡膠組合彈簧，截面異形阻渣，組件一側內(nèi)兩個對稱分布片狀螺旋彈簧作為支撐骨架，形成2個弧形支撐面，另一側彈性槽，整體提供閥座預緊力及密封；具有提供閥座預緊力，閥座與閥體間初始密封阻渣。減少了圓柱形/矩形壓縮彈簧容易受到的微小灰渣的影響，可防止雜質及臟物進入到組合彈簧腔體，有效防止了彈簧失效，確保彈簧長期有效工作，保證閥座長期有效運動。

圖2 組合彈簧截面結構圖

（7）同芯導向反向結構設計。煤漿的吸附性較強，容易粘在球體表面，在閥門啟閉過程中，介質顆粒被帶到閥座與球體的密封面之間，破壞了球體與閥座之間的密封副，從而影響閥門的密封性能，使閥門的使用壽命大大縮短，為解決密封副損壞快這個問題，將閥座與閥體的同芯導向設計為反向結構，可有效防止渣粒進入到閥座主密封處，減少渣粒進入閥座密封部位，保證閥座使用壽命，如圖3所示。

圖3 閥座結構圖

（8）閥座與球體接觸處雙刮刀設計，即先初級刮掉大顆粒煤漿，次級刮刀清潔閥座與球面間粘結小顆粒煤漿，保持密封面間密封性。如圖3所示。

（9）閥座與閥體間采用石墨和組合彈簧的雙密封防火、防高溫設計，可有效保證失火或高溫下二者之間的密封，如圖3所示。

5 中分式鎖渣閥結構特點

該閥門主要由閥體、閥座、連軸球體、滑動軸承、中道復合墊片、密封墊、彈簧（組合彈簧）、填料壓套、填料及氣動執(zhí)行機構等組成，其內(nèi)件的金屬和保護涂層采用耐高溫（270℃）耐磨損材質，密封副材料配對為金屬對金屬，在鎖渣管路中主要用來做切斷。兼具普通硬密封球閥的設計結構特點外，在設計選材及試驗時，該閥應能滿足在灰渣環(huán)境下的抗磨損要求，適應較寬的溫度及壓力范圍，密封性能穩(wěn)定，具有良好的防腐蝕、防塵、防火、防靜電性能，并能滿足其頻繁開關（每30min一次）的要求。鎖渣閥采用的是金屬硬密封固定式球閥結構（見圖1），該閥與其他球閥相比，具有許多特點：

圖4 中分式鎖渣閥結構圖

（1）全通徑設計。通道圓整平滑，流道暢通，最大程度上保證介質不沉積，同時在進出口通道增加保護襯套，增加閥門抗沖刷性能。

（2）雙閥座固定硬密封球閥，閥座具有DBB結構。

（3）中分式結構設計，自帶閥桿防飛軸肩，常規(guī)的三段式結構設計，要比中分式設計多一個理論外泄漏點。現(xiàn)采用中分式結構設計，閥門左閥體與右閥體結構對分，維護簡單，拆裝方便，清潔容易。

（4）球體和上軸為一體式，保證了上軸與球體上下支承的對中性，避免了常規(guī)結構中閥門頻繁開關后上下軸松動、傾斜、脫離引起的閥門泄漏等問題。

（5）高溫組合彈簧具有一定的密封性、良好的預緊彈力和良好的防渣性。

（6）球體和閥座密封面噴焊硬質合金類材料，耐磨層厚，硬度高，冶金結合力好。

6 結語

進口鎖渣閥價格昂貴，供貨周期長，零配件供應不及時，維修不方便，一旦發(fā)生故障將造成生產(chǎn)停車，因此國內(nèi)有不少廠家進行鎖渣閥國產(chǎn)化研發(fā)，并投入實際應用；本文針對鎖渣閥的應用工況，在研發(fā)過程中僅對中分式鎖渣閥結構設計提出了建議，供大家進行探討，該閥生產(chǎn)過程中的加工方法及工藝也十分重要，只有兩者完美結合，才能生產(chǎn)出高質量的鎖渣閥。

◆參考文獻

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