耐磨球閥煤在直接液化工藝的應(yīng)用及失效分析

曹海

(國家能源集團(tuán)神華煤制油化工有限公司鄂爾多斯煤制油分公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017209)

0 引言

煤直接液化工藝生產(chǎn)運(yùn)行過程中氣、液、固三相流幾乎貫穿工藝全過程，高溫、高壓、臨氫、含固、高流速的苛刻工況對閥門的選用提出了極高的要求，煤直接液化裝置煤漿管線閥門大多選用含固耐磨球閥，近年來該類球閥出現(xiàn)了開關(guān)卡澀、閥腔結(jié)焦、閥門內(nèi)漏、沖刷磨蝕等問題，因此介紹耐磨球閥在煤直接液化工藝的應(yīng)用及失效分析對煤液化裝置長周期穩(wěn)定運(yùn)行具有重大意義。

1 含固耐磨球閥在煤直接液化裝置應(yīng)用簡介

煤直接液化工藝煤漿制備工段油煤漿固含量約40%～50%，工作溫度最高290 ℃，工作壓力最大1.5 MPa，主要應(yīng)用A類型固定球碟簧結(jié)構(gòu)耐磨球閥。

進(jìn)料、反應(yīng)和分餾工段為氣/液/固三相流物料，介質(zhì)中含氫氣、硫化氫、氯離子的腐蝕性介質(zhì)，工作溫度-20～538 ℃，工作壓力最大22 MPa，主要應(yīng)用M類型浮動(dòng)球碟簧結(jié)構(gòu)含固耐磨球閥。

分餾工段主要應(yīng)用H類型固定球柱簧結(jié)構(gòu)含固耐磨球閥及C類型夾套保溫固定球柱簧結(jié)構(gòu)含固耐磨球閥。

1.1 A類型含固耐磨球閥結(jié)構(gòu)形式及特點(diǎn)

A類型球閥為固定球結(jié)構(gòu)，金屬密封設(shè)計(jì)，閥體采用A105,閥座、閥球、閥桿材質(zhì)為鍛造高強(qiáng)度雙相不銹鋼，閥座與閥球采用等離子噴涂以及高溫?zé)崛厶幚淼挠不に?，硬質(zhì)涂層厚度600 μm，平均硬度達(dá)到63HRC,采用碟簧助力，閥座尾翼式刮刀設(shè)計(jì)，閥桿防噴，防靜電設(shè)計(jì)。閥桿密封為雙層密封設(shè)計(jì)， 閥桿上下部均有軸承套，有效消除了閥門在介質(zhì)的壓力下作用在閥桿上的不平衡力，以保護(hù)密封填料。彈簧加載閥桿密封，自動(dòng)補(bǔ)償由于介質(zhì)溫度壓力變化引起的閥桿密封比壓的變化。

圖1 A類型閥門結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 M類型含固耐磨球閥結(jié)構(gòu)形式及特點(diǎn)

M類型球閥為浮動(dòng)球結(jié)構(gòu)，金屬閥座分體式球閥，雙閥座，單球，浮動(dòng)設(shè)計(jì)采用單流向或雙流向結(jié)構(gòu)，閥體材料有A105、F347、F347H等。對于閥體材料為F347H 閥門，閥球和閥座材料均選用碳化鉻噴涂的Inconel718，對于碳鋼和低合金鋼，閥球和閥座材料選用410ss，外部HVOF噴涂碳化鉻，閥座邊緣鋒利，可對閥球自刮擦自清潔，碟簧材料為Inconel 718或X750(NACE)，閥桿材料采用NACE A638 GR.660，閥桿防脫出設(shè)計(jì)，閥桿的密封采用組合式防脫出環(huán)并且至少帶有兩個(gè)模制固體石墨填料環(huán)，帶有活裝載填料壓蓋。閥體墊片采用Inconel718或者Gr.660SS的壓緊徑向金屬環(huán)結(jié)構(gòu)，金屬環(huán)表面鍍金涂層。

1.3 H類型含固耐磨球閥結(jié)構(gòu)形式及特點(diǎn)

H類型球閥為三片式固定球柱簧結(jié)構(gòu)球閥，雙閥座，閥座采用柱簧作補(bǔ)償力，全通徑、雙流向、雙向密封，雙關(guān)斷帶泄放，防吹出閥桿設(shè)計(jì)，純金屬密封，防火設(shè)計(jì)，閥體材質(zhì)選用DIN 1.4470，閥球與閥座材質(zhì)選用DIN 1.4462，閥球與閥座表面均噴涂碳化鎢或碳化鉻，硬度值在62 HRC以上，柱簧材質(zhì)選用Inconel X750，閥座刮刀設(shè)計(jì)。

圖2 M類型閥門結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 H類型閥門結(jié)構(gòu)示意圖

1.4 C類型含固耐磨球閥結(jié)構(gòu)形式及特點(diǎn)

閥體材料ASTM A217 C12，球體、閥座表面采用超音速進(jìn)行噴涂，基體材料為304SS，表面噴涂碳化鎢+鈷，噴涂層的表面硬度大于70 HRC，涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度大于70 MPa，涂層的有效厚度為0.25～0.40 mm。雙閥座，閥座與閥體采用分離式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，閥座應(yīng)采用刮刀式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在球體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)能夠自動(dòng)刮除球體表面的沉積物，閥桿材料為17-4PH，采用防飛出設(shè)計(jì)，采用柱簧形式作為閥座補(bǔ)償力，柱簧材料Inconel X750，填料為柔性石墨，材料符合NACE MR0175標(biāo)準(zhǔn)的要求，夾套工作壓力1.0 MPa，夾套工作溫度350 ℃。

圖4 C類型閥門結(jié)構(gòu)示意圖

2 失效分析

2.1 閥門內(nèi)漏分析

2.1.1 閥球或閥座密封面磨蝕沖刷

煤直接液化苛刻工況對閥門耐磨耐沖刷性能要求極高，煤漿管線閥門全部選用耐磨球閥。如果球閥密封不良，含固介質(zhì)通過閥球與閥座密封面或者閥座與閥體接觸面，對閥球、閥座、碟簧及閥體造成磨蝕沖刷。閥門在全開和全關(guān)的瞬間，由于壓差大、流速高，對閥球及閥座邊緣造成一定的磨蝕沖刷，對于開關(guān)頻次高的球閥，極易造成刮刀設(shè)計(jì)失效，無法將閥球表面結(jié)焦物清理干凈，密封失效使閥球閥座磨蝕沖刷。

閥門長時(shí)間停留在未全開或者未全關(guān)的狀態(tài)下，含固介質(zhì)高流速流通對閥球及閥座亦會(huì)造成磨蝕沖刷。

2.1.2 閥球表面硬化層剝離

耐磨球閥采用的表面硬化方法有等離子噴涂、超音速火焰噴涂、鎳基熱噴涂等[1]。硬化層的耐用性受噴涂材料、噴涂工藝、涂層厚度、涂層結(jié)合強(qiáng)度等影響，等離子噴涂或超音速噴涂主要通過耐磨粉末涂層與基體材料的高溫或高速碰撞而產(chǎn)生的物理結(jié)合，達(dá)不到經(jīng)噴涂融合工藝處理后過渡層所具備的冶金結(jié)合水平，結(jié)合強(qiáng)度較鎳基熱噴涂低，通常結(jié)合力在68～76 MPa左右，噴涂厚度一般在0.3 mm左右，煤直接液化高溫高壓部位球閥閥球表面附著堅(jiān)硬結(jié)焦物，在閥門操作過程中涂層存在隨結(jié)焦物被閥座刮刀刮蹭剝離的可能[2]。對于鎳基合金熱噴涂加熱溫度控制非常重要，溫度過低，基體材料與鎳基合金材料不能真正實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合，容易引起涂層剝離[2]。

2.1.3 閥座補(bǔ)償力失效

閥座采用碟簧或柱簧形作為補(bǔ)償力，在高溫、高溫、臨氫、含固工況下，碟簧或柱簧使用年限超過三年一般會(huì)出現(xiàn)不同程度的彈性下降現(xiàn)象，甚至完全失效，碟簧的主要失效形式有碟簧變形為扁平、反向、斷裂、磨蝕沖刷等。柱簧球閥在閥座與閥體之間的密封失效后，含固介質(zhì)進(jìn)入柱簧腔結(jié)焦，柱簧失效。閥座補(bǔ)償力失效后閥座刮刀設(shè)計(jì)失效，閥座與閥球密封面貼合不緊密，閥球表面粘結(jié)物無法被清理，導(dǎo)致閥門內(nèi)漏，在開關(guān)過程中閥球表面的粘結(jié)物極易劃傷閥座表面，長時(shí)間密封不嚴(yán)介質(zhì)內(nèi)漏，造成密封面沖刷磨蝕。

2.1.4 閥門反向安裝

雙浮動(dòng)座因閥座有彈簧補(bǔ)償力的作用，閥座與閥球始終能保持緊密貼合，正反安裝都能保持密封。一側(cè)為固定閥座一側(cè)為浮動(dòng)閥座球閥，閥門反向安裝，閥球在固定座側(cè)介質(zhì)的推力下，浮動(dòng)座側(cè)彈簧被壓縮，固定座側(cè)閥球與閥座密封面分離，介質(zhì)通過進(jìn)入閥腔，當(dāng)閥腔達(dá)到一定壓力后，浮動(dòng)座在介質(zhì)的推力下彈簧被壓縮，閥球與閥座密封面分離，介質(zhì)通過進(jìn)入后路，閥門內(nèi)漏。

2.2 開關(guān)卡澀分析

2.2.1 閥腔含固煤漿沉積結(jié)焦

在閥門密封性能下降或失效后，介質(zhì)進(jìn)入閥腔，介質(zhì)中含有煤粉、催化劑等固體顆粒以及溶劑油，煤粉及催化劑等固體顆粒在閥腔中沉積，溶劑油有一定的黏性，將沉積的固體顆粒粘結(jié)成塊，造成閥門開關(guān)卡澀。反應(yīng)及分餾工段介質(zhì)黏度大且組成復(fù)雜，其中含有大量無機(jī)鹽、瀝青質(zhì)和非烴化合物，灰分、瀝青質(zhì)含量較高，高溫下易發(fā)生縮合反應(yīng)形成較硬的結(jié)焦物粘結(jié)在閥球、閥座表面，將閥腔與閥體粘結(jié)，導(dǎo)致閥門無法開關(guān)或開關(guān)卡澀。

2.2.2 閥球表面結(jié)焦

結(jié)焦物粘結(jié)在閥球表面，開關(guān)過程中閥座對閥球表面結(jié)焦物進(jìn)行刮刀式清理，因粘結(jié)力大，造成開關(guān)卡澀。

2.2.3 閥座彈簧結(jié)焦失效

結(jié)焦物進(jìn)入彈簧腔體，彈簧失效，閥座無法壓縮彈簧，造成開關(guān)卡澀。

2.3 閥門外漏分析

閥門外漏主要為閥門中體法蘭及填料外漏，在介質(zhì)溫度大幅波動(dòng)的情況下，容易導(dǎo)致中體及填料壓蓋螺栓松動(dòng)，發(fā)生外漏。含固介質(zhì)對填料磨蝕嚴(yán)重，在運(yùn)行初期若發(fā)現(xiàn)填料滲漏應(yīng)及時(shí)進(jìn)行緊固或維修，否則易造成磨蝕泄漏事件發(fā)生。閥門長期在高溫狀態(tài)下使用，填料老化變硬，密封性能下降，導(dǎo)致外漏。

2.4 連接部件損壞分析

由于含固耐磨球閥的運(yùn)行工況苛刻，易結(jié)焦沉積，閥門的扭矩較大，開關(guān)過程中受力較大，易導(dǎo)致銷釘、傳動(dòng)裝置、閥桿、支架、閥球的損壞。

3 應(yīng)對措施

針對煤直接液化裝置嚴(yán)苛工況下含固耐磨球閥在使用過程中的失效形式，公司與國內(nèi)閥門企業(yè)合作，在深入研究國外同類產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，對閥門的材料選擇、冶煉、鍛造工藝、結(jié)構(gòu)、制造工藝及專用設(shè)備、試驗(yàn)檢驗(yàn)技術(shù)手段等方面進(jìn)行了全面的研究攻關(guān)，并取得了突破性成果，針對球體和閥座密封面磨蝕沖刷及硬化層剝離問題提出了“鎳基合金+CrC耐磨材料+超音速噴涂+重熔”的表面硬化處理方法，使得閥門的耐磨性及抗剝蝕性能得到了較大提升，開發(fā)了360°逐步鏡面配磨工藝技術(shù)及專用設(shè)備，提升了閥門維修可靠性，通過結(jié)構(gòu)改進(jìn)和密封材料革新有效解決了進(jìn)口球閥密封不嚴(yán)和泄漏的問題[3]。

4 結(jié)語

在煤直接液化工藝高溫、高壓、臨氫、含固、高流速的苛刻工況下，不同類型的耐磨球閥有不同的應(yīng)用，閥門的失效形式多種多樣，其中密封性能是否完好對煤直接液化裝置安全穩(wěn)定運(yùn)行起著關(guān)鍵作用，經(jīng)過多年來研究攻關(guān)，耐磨球閥在煤直接液化工藝應(yīng)用的可靠性達(dá)到了大幅提升。