新型煤化工調節閥改進設計研究
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摘 要 閥門在煤化工生產作業中是極其關鍵的一種控制設備，其類型更是多種多樣。為了延長煤化工惡劣生產環境下閥門的使用周期，本文結合現場閥門使用效果對硬密封球閥進行設計改造，從而達到提高閥門使用周期，降低維修費用的目的。
關鍵詞 煤化工;硬密封球閥;優化設計
前言
硬密封球閥是組成煤化工生產工藝的重要內容，同時也是用于煤化工生產中的一種關鍵控制設備。煤化工裝置中閥門的類型很多，其中較為常見的包括匣閥、截止閥、蝶閥和球閥等，這些閥門在煤化工生產中都要承受500℃的高溫和30MPa的高壓，為了適應煤化工生產惡劣的工況環境（如：燃燒、腐蝕、機械磨損等），煤化工閥門的核心裝置都要采用具有較強耐高溫性能和耐高壓性能的密封球閥。
1 硬密封球閥優化設計概述
1.1 結構分析
在煤化工生產中，對球閥的要求主要為高性能、高密封性和硬金屬，球閥結構一般包括球體、左閥體、右閥體、閥座、閥桿和金屬墊圈等。因為球閥一般是采用機械性能和抗研磨性能較強的金屬，楔形墊材料通常也有較強的耐高溫和防腐能力，所以適用于條件需求嚴苛的煤化工生產工藝。
1.2 工作原理
硬密封球閥的優化改造通常使用二片式金屬密封球閥，采用一體化設計改造左閥體與左閥座，同時優化右閥座密封結構，從而使管道中球閥的安裝和運行狀態沒有方向性。即在球閥內部的球體右側連接到煤油上游管時，左端也會連接到下游管，壓力傳達至上游管后，在介質壓力的影響下，球閥內的球體會貼緊左閥體，從而達到密封的作用。根據這一原理也可以實現球閥的雙向零泄漏。
1.3 加工工藝
在性能方面硬密封球閥有較高要求，加工工藝重點在于一體化設計的閥座，即設計成一體化的球體和左右閥座。此外還需要對其進行高強度的表面硬化處理后進行研磨，提升其表面的光滑性，形成不間斷的密封帶，從而實現球閥的零泄漏。
2 金屬密封耐磨球閥特性試驗
開展硬密封球閥特性試驗時，首先調整試驗工作環境溫度為550℃，閥座密封等級ANSI/FCI70-2，經過5-10s動作時間后可以發現，在實際運行狀態下，球閥閥門會頻繁的進行動作，其溫度也會不斷提升。試驗使用煤渣+N2為介質，介質材料具有腐蝕性，但是運行一段時間以后，閥門球體表面仍然相當光滑，其原因為采用表面硬化工藝對閥座表面及球體表面進行了處理，試驗中設定的防爆等級為ExdIICT4，儀表防護等級為IP68，結合最終實驗結果得出，在硬密封球閥設計中，必須滿足以下幾個特性：
一是耐磨性能較高，由于球閥在實際運行中會承受高溫及持續運動摩擦的影響，因此在耐磨性方面有較高的要求，通常需要在閥座及球面處噴涂0.2-0.4mm左右的碳化物，保持65HRC以上硬度，才能達到耐磨要求;二是耐腐蝕性較強，一般采用合金或雙相不銹鋼作為閥體的介質材料;三是密封性較強，能夠確保煤化工生產工藝中球閥做到雙向零泄漏[1];四是采用雙密封閥座，主要作用為阻斷介質，防止因閥座出現浮動而造成泄漏的情況。
3 煤化工硬密封球閥的應用分析
3.1 核心零件工藝
球閥中最重要的結構之一就是硬密封球芯，硬密封球芯的圓度、粗糙度及表面硬度在實際應用中都有比較高的要求。受材料原因影響，很難通過一般設備完成加工，大多數球閥加工都只能通過進口設備進行，目前較為常見的加工工藝為超音速噴涂和熱噴涂[2]。由于球閥最終的密封性能是由閥座和球芯共同作用決定，因此，必須配研閥座與球面的密封面，保證其符合標準吻合度，這樣才能滿足實際運用中對球閥密封性的要求。
3.2 常見閥門結構
首先是兩片式球閥。兩片式球閥一般有兩種，一種是浮動式結構，這是一種較為簡單的結構，球芯和閥座主要發揮中心性作用，通過彈性加載能夠保證預緊力性平衡。同時還能精簡加工工序，提高實際裝配效率，實現了提升閥門泄漏安全等級和降低球閥成本的目的。另一種是固定球硬密結構，通常情況下該結構用于雙向動態密封形式中，也就是采用彈簧補償左右閥座，即補償閥座磨損及雙向密封性;其次是三片式球閥。通常情況下，三片式球閥會以高溫、高壓工況為根據來選擇鍛件毛坯的方式，同時在閥桿位置設置防沖臺，以此防止閥桿因承受介質壓力而沖出。一般在高壓煤粉和氣體傳送工況中會應用到三片式球閥;最后是偏心球閥。鑄造時一般直接采用偏心結構，類型相對較多，其密封部位通常為環形平臺。由于這種閥門具有較強的耐高溫性，并且可以實現單面密封，因此在一些能夠進行調節的管道中也常有應用。
4 煤渣結垢造成卡澀的解決辦法
對于密封面材料來說，通過多次試驗選擇出工況針對性強，同時具備較高抗氧化能力、抗黏結性以及良好導熱、導電性能的硬質合金涂層材料，以此解決高溫高壓工況下硬質合金氧化、黏結以及靜電問題，在固體顆粒介質中對其進行應用，無論是耐磨性還是使用壽命都有明顯提升。其次，對于密封結構而言，可以采用雙軸承、開口碟簧補償或定量壓縮的結構設計，以此保證開關的穩定性不會受到高溫、常溫或低溫的影響。此外，通過設計球閥卸灰槽也可以對因為煤渣結垢所導致的卡澀情況進行處理，在物料送至碟簧后，卸灰槽能夠及時排出碟簧后的漿料和灰塵，避免其卡死碟簧，從而暴躁閥座始終處于靈活狀態。
5 結束語
總之，在煤化工生產中，硬密封球閥通常所處工況都非常惡劣，很容易出現損壞。硬密封球閥設計加工對于材料成本和工藝技術都有較高的要求，但是為了更好地滿足煤化工生產需要，我們必須更加全面深入對其進行研究，從而更好推動煤化工行業發展。
參考文獻
[1] 溫耀信，黃漢敏.吸附脫硫裝置用程控金屬密封球閥設計[J].閥門，2017，（3）：5-6.
[2] 翟俊紅.LNG用超低溫球閥設計選型探討[J].化工設計，2018，28 （2）：33-35.
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