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关于锁渣阀的设计与应用

    德士古煤气化技术的应用至今已经有30多年的历史,该技术在中国也已经有着10多年的应用经验了,是目前国内所使用的较为成熟的煤气化技术。随着国内煤化工产业的不断升温,德士古水煤浆加压气化制取水煤气的生产工艺被大量采用。德士古水煤浆气化工艺流程分为制浆系统、合成气系统、烧嘴冷却系统、锁斗系统、闪蒸和水处理系统等。水煤浆气化工艺是在1350℃、40MPa以上的高温、高压条件下,使水煤浆和氧气进行氧化还原反应,使煤部分变成煤气。煤气经过激冷水浴、洗涤、除尘制成水蒸汽饱和的合成气送出,而煤中部分未燃尽的碳和不可燃的灰分在高温下形成熔渣经水冷却和破渣机破碎,通过锁斗定期排入渣池。整个生产过程不仅存在高温、高压、易燃、易爆的气体介质和固体颗粒介质,还要求整个排渣集渣过程服从程序控制。在锁斗系统中,调节阀用于具有高温、高压和高磨蚀等特点的集渣和排渣循环过程,开关频率高且在高压条件下具有严密密封性。因此,锁渣阀必须具有完善的结构设计、合理的材料配置、良好的制造工艺和设备、先进的表面处理技术和免维护的高输出力矩的执行机构,以确保其安全、快速、连续不间断地长寿命工作。

    1 锁斗系统工况特点

    锁斗系统主要由渣罐、锁渣阀、排渣阀、冲洗水罐等组成,并设置了一套复杂的自动循环控制系统,用于定期收集炉渣。在排渣时锁斗和气化炉隔离锁斗循环分为减压、清洗、排渣和充压部分,每个循环约30min,保证在不中断气化炉运行的情况下定期排渣。锁斗系统一般由4台阀门形成一组,其中2台阀门用于进口集渣和锁渣,一台阀门用于出口排渣,一台用于锁斗冲洗水切断。在集渣时需给渣罐充压,渣罐压力与气化炉接近时打开锁渣阀。集渣后,关闭锁渣阀门,对渣罐卸压,排到常压后打开排渣阀门。排渣结束并冲洗完渣罐后,关闭排渣阀,然后对渣罐充压,依次重复循环。在整个循环过程中运行的工艺介质一般为占20%固体颗粒的渣水混合物,混合物中固体颗粒最大的粒度可达50mm。阀门入口压力一般为4.4MPa(最高达8.4MPa),温度为140~260℃。

    (1)工况系统4.4~8.4MPa压力所形成的高速流体对阀门内件,如阀座、阀杆和关闭件等造成极大冲击,极易对内件表面快速冲蚀,使内件损坏。

    (2)渣水混合物中具有无数大大小小的硬质颗粒掺杂在高速流体中流动,对阀门内件撞击并冲刷,使阀杆与轴孔、阀座与关闭件接触表面间产生严重摩擦,从而发生剧烈磨损,使阀门打不开或关不严。

    (3)渣水混合物本身具有一定的腐蚀性,容易腐蚀被固体颗粒介质冲击破坏而暴露的新鲜表面,从而使阀门加速损坏。

    (4)渣水混合物的灰渣极易积沉并粘附在关闭件表面,微小的灰渣甚至会侵入阀座组件的内部,造成阀座活动失效,使阀门泄漏甚至无法使用。

    (5)锁渣阀的口径一般为DN300及以上,口径较大,在高压力流体介质的作用下,对阀门密封面将形成较大的密封比压。同时,阀门在高压状态下开启,而固体颗粒介质的摩擦阻力较大,容易造成阀门卡阻现象,因而阀门实际开启力矩远远大于一般流体介质在相同压力下的力矩。

    2 阀门结构设计

    锁渣阀采用的是金属硬密封固定式球阀结构(图1),该阀与其他球阀相比,有许多特点。

    (1)采用全通径、防火和防静电设计。通道圆整平滑,流道通畅,尽可能保证介质不积沉,同时进口通道表面增加保护层,耐冲刷。

    (2)阀杆采用防尘、防脱出结构设计,并且结构设计确保阀杆只承受阀门启闭扭矩,介质的推力由支承座和下轴承担,使阀杆的受力情况大大改善,确保阀杆能够长期可靠地工作。

    (3)采用双阀座双向密封设计,进口端阀座和出口端阀门可同时密封,确保了阀门的密封性能。前端阀座采用阀前密封形式,后端阀座采用阀后密封形式,即使前端阀座密封失效,后端阀座仍能有效保持密封,也尽可能地减小了高压力流体对密封表面形成的高密封比压,降低了阀门的操作扭矩。

    (4)阀座后面采用碟形弹簧加载,减少了圆柱形压缩弹簧容易受到微小灰渣的影响,而且在碟形弹簧两侧采用防尘圈进行保护,防止杂质及脏物进入到碟形弹簧腔体,有效防止碟形弹簧的失效。

    (5)阀座与阀体结合处的通道加有保护套,进一步有效防止杂质进入阀座后面的弹簧腔体,确保碟形弹簧长期有效工作。

    (6)阀座密封面两侧采用刮刀式结构设计,使球体及阀座在开关过程具有自清洁功能,有效防止球体和阀座间颗粒的积沉和粘附,确保阀门动作顺畅连续,不卡阻。

    (7)具有中腔自动卸压功能结构设计,当阀门关闭后,阀腔内压力高于关闭压力时,能自动卸压至压力低的一侧,防止了中腔的异常升压,保证了阀门正常启闭。

    (8)气动执行机构在现场提供的正常气源压力下的输出力矩保证为阀门在最大压差下操作扭矩的115倍以上,且其传动链的设计扭矩至少为阀门最大扭矩的2倍以上,使阀门在一般超压的情况下仍能保持稳定的启闭动作。

    3 控制机构设计

    锁渣阀直接参与了锁斗系统的程序控制,因此对于执行机构及其附件的选型尤其重要,要求也很高。其相关要求及主要选型如下:

    (1)执行机构必须是免维护的双作用气动执行装置。

    (2)若锁斗系统发生故障,将导致联锁停车并对安全生产构成威胁,所以要求一旦发生意外(如停电或停气),阀门应自动处于关闭状态(FC)。因此,阀门应自带储气罐,其储气量具有满足阀门2次以上的开关容量,所用电磁阀也应选用故障安全型的。

    (3)在系统发生故障时,不仅要求阀门应自动处于关闭状态(FC),还应满足阀门开关全行程时间小于10s。

    (4)锁渣阀所处的操作工况复杂,环境也比较恶劣。要求所选的电气附件,如电磁阀、限位开关、阀位变送器等都必须有相适应的防爆和防护要求,一般防爆等级应在ExdⅡCT4以上,防护等级应在IP65以上。

    (5)电磁阀本体、气源管路、现场压力指示表等的材质均应为不锈钢。

    (6)限位开关和阀位变送器的输出信号为4~20mA,以方便对阀门全行程进行监控操作。限位开关应使用无源接点以方便和ESD系统的连接。

    为达到紧急切断和故障关阀(FC)的目的,其典型的气路控制如图2所示。

    4 阀门设计计算

    为了保证阀门的密封性能、启闭动作顺畅、故障时紧急切断的有效性和长寿命使用,应对阀门的密封比压、最大开启力矩、阀杆扭转强度和储气罐的容积进行计算或校核。

    4.1 密封比压

    阀座密封结构为双向密封结构,密封比压q为

    式中  DMW———阀座密封面与球体接触外径,mm

          DMN———阀座密封面与球体接触内径,mm

          DCH———后端阀座与阀体配合套筒外径,mm

          R———球体半径,mm

          α———密封中线与通道轴线之间的夹角

          q———密封面计算比压,MPa

          qMF———密封面必须比压,MPa

          [q]———密封面许用比压,MPa

          P———介质工作压力,MPa

    4.2 开启力矩

    锁渣球阀的扭矩值表现为两端高中间低的曲线状,开启和关闭阀门时扭矩较大,而当阀门处于关闭状态承受最大工作压力开启瞬间扭矩应为最大,所选气动执行机构在气源压力为0.4MPa时的输出力矩应为按下式计算数值的1.5倍以上。阀门扭矩MQG为

    式中  MF———阀杆最大扭矩,N·m

          MQG———球体与阀座密封面间的摩擦扭矩,N·m

          MQG1———阀座对球体预紧力产生的摩擦扭矩,N·m

          MQG2———由介质工作压力产生的摩擦扭矩,N·m

          MFT———填料与阀杆间的摩擦扭矩,N·m

          MZC———下轴轴承的摩擦扭矩,N·m

          fM———球体与阀座密封面间的摩擦因数

          fZ———轴承摩擦因数

          FT———阀杆与填料摩擦力,N

          Ψ———系数,按hT/bT选取

    4.3 阀杆扭转强度

    按照设计的要求,阀杆截面积最小值在阀杆顶部与执行装置连接处,即对该直径d0处进行校核τN=Mm/WR≤(τN

    式中  Mm———气动执行装置的最大输出扭矩或阀门最大开启扭矩MQG的2倍,Nm

        (τN)———材料的许用应力,MPa

         WR———断面d0的扭转截面系数

    4.4 储气罐容积

    储气罐内的气体量应能实现失气时锁渣阀的连续2次往返动作,即容积为

    式中V′———储气罐的容积,m3

    V———气缸容积,m3

    Q———单行程空气耗气量,m3

    5 制造工艺分析

    锁斗系统的工艺介质具有高温、高压和高磨蚀等特点,同时渣水混合物具有一定的应力腐蚀倾向。因此要求阀门材料应该耐腐蚀、耐冲刷、高强度,并应对球体、阀座等密封件进行适当的表面硬化处理,以达到较高硬度和高耐磨性。

    (1)为避免阀门零部件发生应力腐蚀,所有内件材料应遵循NACEMR01-75规范。

    (2)由于进口端阀门通道容易受到高速流体的冲刷,因此应喷涂硬质合金保护层,以避免快速磨蚀。

    (3)阀杆、下轴除了承受扭转强度或介质压力外,还不可避免地受到介质中固体颗粒的磨蚀,因此应在与轴套的接触面堆焊或喷涂硬质合金。

    (4)锁渣阀开关频繁,阀座和球体表面最容易受到冲刷和磨蚀。据用户单位使用国外锁渣阀所得到的经验,球体和阀座密封表面硬度不能低于55HRC,同时还应保证硬化层应有一定的厚度且不能脱落。根据目前国内所掌握的技术,可以采用热喷焊或超音速喷涂工艺加以实现。

    (5)由于锁渣阀要求在高压下确保严密密封,因而球体和阀座应采用自动研磨机进行配对研磨以达到球体高的圆度、密封面的高吻合度和提高生产效率。

   6 结语

    锁渣阀在安徽淮化、内蒙三维、鲁南化肥厂、滕州凤凰、国泰化工等单位投入运行和使用。自2006年,600Lb-12in。和14in。锁渣阀投入安徽淮化使用已连续运行至今仍启闭顺畅、密封性能完好,达到了国外同类产品的运行效果。锁渣阀在德士古气化工艺生产中起着非常重要的作用,该阀一旦发生故障将严重影响和制约生产。因此,对于该阀包括气动执行机构及其附件的选型和配置、阀门的结构设计、材料选择、表面处理技术和生产制造工艺都提出极为严格的技术要求。

    参考文献

    (1)徐炳辉。气动手册(M)。上海:上海科学技术工业出版社,2000。
    (2)杨源泉。阀门设计手册(M)。北京:机械工业出版社,1992。
    (3)徐灏。机械设计手册(M)。北京:机械工业出版社,1991。
    (4)陆培文。实用阀门设计(M)。北京:机械工业出版社,2002。