摘要　介紹了水煤漿工況用硬密封球閥的結構特點,分析了水煤漿工況用硬密封球閥在設計
       過程中所遇到的技術難點及相關解決方案,闡述了硬密封球閥密封面材料配對形式的選擇及機加
       工工藝的特殊要求。
             1　概述
       隨著科學技術的發(fā)展和人民生活的提高,開發(fā)和利用新一代潔凈、高效的氣化技術對我國各種能源的合理利用十分重要。目前國內外已開始采用水煤漿加壓氣化技術合成相關產品,此技術是以各種碳、氫物料為原材料(褐煤、煙煤、無煙煤、泥煤) 。其工藝過程是原料需經必要的制粉、成漿,然后制備出水基或油基漿料,經過攪拌、貯存、輸送,然后送專用噴嘴霧化,在氣流床氣化爐(1 400℃左右)中氣化生成粗合成氣(CO和H2 ) ,經除塵、洗滌后送往下游工序合成相應產品(如甲醇、乙烯、化肥等) 。但是水煤漿在制造前后具有腐蝕性強,溫度高,沖蝕強,顆粒硬度高等特點。

      由于普通軟密封球閥的閥座一般采用聚四氟乙烯( PTFE) 、增強型聚四氟乙烯(RPTFE) 、尼龍(NY-LON)或其他高分子合成材料,使用溫度一般都不高于200℃, 即使相對耐高溫的PEEK也只能承受260℃左右工作溫度。并且使用介質中一般不允許帶有顆粒或纖維成分,否則軟密封閥門的使用壽命就很短。這就限制了普通軟密封球閥在水煤漿工中的應用。目前滿足此類工況條件的硬密封球閥大部分依賴國外進口。根據需要,研制了水煤漿工況用硬密封球閥。
       2　結構特點
       根據煤氣化技術工況條件,適用于高溫、高壓、強腐蝕性以及含顆粒的漿料粉末等介質的新型硬密封球閥具有很多特點。
       (1) 耐高溫　能長期工作在425℃的高溫狀態(tài)下,適用于大多數高溫工況條件要求。
       (2) 耐高壓　能在25MPa的工況壓力等級下長期工作。
       (3) 耐腐蝕　能滿足大部分石油、化工等特殊行業(yè)對腐蝕性能的特殊要求。
       (4) 耐磨損　能滿足像有機硅等(硅粉顆粒硬度為52HRC)特殊介質的耐磨性要求。

(5) 雙向密封　能保證閥門的雙向密封,使閥門的密封性能得到提高,為閥門在線緊急搶修提供 了保證。同時也保證了介質逆向流動時的密封性 能,為防止介質倒流提供了必要的保障。
       (6) 耐沖蝕　在球體密封面上不僅是采用了耐高溫、耐腐蝕性能好的鎳基合金,而且還在里面加入了具有高耐磨性的碳化鎢,使球體密封表面硬度達到65HRC。這種鎳基合金和碳化鎢(WC)調配百分比能使噴焊層與基體材質有較高的結合強度,如此 高的結合強度,使噴焊層能承受強烈的機械沖擊及熱沖擊而不會產生脫落。閥座密封面采用堆焊STL
合金,合金層加工后,厚度≥2mm,硬度> 55HRC。這樣使閥門具有了更高的耐磨性能和耐沖蝕性能。
       3　技術難點
       相對普通的硬密封球閥來說,水煤漿工況用硬密封球閥要適用于高溫、高壓、強沖蝕、強腐蝕等工況條件,在設計和制造過程中存在不少技術難點。
       (1)密封比壓高　水煤漿工況用硬密封球閥由于采用金屬材料為密封面,所需要的密封比壓比軟密封要高得多,因此如何從設計上保證適當的密封比壓,提高零件的形位公差以及提高表面光潔度要求是十分重要的。
       (2)球體表面硬度高　煤粉顆粒的硬度較高,此工況情形下,在閥門關閉的狀態(tài)時要求球體表面硬度層有較高的硬度,否則,當閥門開啟的過程中會有煤粉顆粒鑲嵌在球體表面上,從而破壞球體表面,以至于影響到閥門的整體密封性能。
       (3)噴焊層結合強度高　煤粉在管線中的流動速度很快,因此要求球體密封面必須有較高的硬度和強度,同時還要求所噴焊的密封材料和基體材料有較高的結合強度,以及基體材料本身的強度較好,這樣噴焊層才不能從基體表面脫落,而失去密封性能。
       (4)自潔功能　煤漿的吸附性較強,容易粘在球體表面上。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。這就要求閥門具有很好的“自潔”功能,從而保證球體和閥座密封副不被破壞。
       (5)加工難　由于水煤漿工況用硬密封球閥的密封表面均采用超硬材料或表面硬化處理,用普通刀具無法加工,即使能加工其加工精度也不能滿足要求,同時還要求加工設備具有足夠的強度,因此選擇合適的刀具非常重要。
       4　問題解決方法
       根據上述技術難點,要設計和制造出相應水煤漿工況用硬密封球閥,就必須有切合實際的可行性解決方法。
       (1)閥座碟形彈簧補償結構　由于采用金屬材料作為密封面,所需密封比壓比軟密封要高得多,從結構設計上保證提供適當密封比壓顯得尤為重要。所以采用“彈簧+閥座”的組合閥座結構,通過高負載碟形彈簧提供初始預緊密封比壓。考慮到高溫時金屬材料的線性膨脹影響,采用碟形彈簧串聯的組合設計方式,這樣即滿足了碟形彈簧所提供的初始預緊力,同時又解決了由于熱膨脹所造成過大摩擦力矩的情形。這樣既能滿足閥門在低壓情況下的密封性能,又能提供一個較高的密封剪切力,使閥座與球體始終緊貼在一起,在球閥開啟、關閉的過程中閥座對球體表面起到“清潔”的作用。另外,在閥座的前、后都增加了“刮削刀刃”的設計,使閥門在開啟或關閉的過程中,閥座刀刃都對球體表面吸附物起到刮削作用,從而不至于把介質帶入密封副之間破壞密封面,影響整體球閥的密封性能。
       (2)特殊的加工工藝　零件的加工精度對密封的可靠性提高也起到關鍵性作用,尤其對球體和閥座的加工要求顯得更為重要。球體噴涂WC前后都須用專用球面磨床磨削。閥座堆焊后,采用數控機床加工。當球體和閥座達到一定精度要求時,兩者進行配對研磨。
       (3)密封副配對材料　密封副材料配對的選擇直接關系到閥門的性能、使用壽命和操作扭矩。根據熱處理條件,以及機械加工手段。選擇球體表面噴焊鎳基WC與閥座密封面堆焊STL合金的形式較為理想。這種配對使球體表面噴焊層硬度和厚度有保證,能滿足高溫、高壓以及頻繁開啟的應用場合。該配對由于采用了不同的配對材料,及鎳基合金本身具有高的耐磨性和較好的高溫性能,以及閥座密封面堆焊STL合金層較厚,抗咬性好。適用于輸送腐蝕性強、溫度高及帶顆粒的漿料、粉末等惡劣工況的介質。同時還解決了由于頻繁開啟而造成密封面之間的磨損。
       5　設計計算
       球閥結構為固定式進口端密封形式。此結構關閉時,填料和大部分閥體不受內壓載荷,在加壓一側不形成積液區(qū)。以10 in. ( 250mm) - 900 lb球閥為例進行密封比壓、總摩擦扭矩、碟形彈簧負荷的計算

      (圖1、表1、表2) 。

       將數值代入式( 3) , 得q = 19143 M Pa。根據密封原理, 如果要實現球體與閥座之間的金屬密封, 必須保證qM F < q < 〔q〕( 〔q〕為密封材料的許用比壓) 。查表得〔q〕= 80 M Pa。通過計算結果可知, 球閥設計的相關參數初步滿足要求。
       5.2　總摩擦扭矩計算
       固定式球閥由介質工作壓力形成的作用力完全傳遞給軸承。作用力的大小取決于球閥閥座密封結構。對進口端密封閥座, 總摩擦扭矩MF 為

       式中　MQ Z ———球體在閥座中的摩擦力矩, N·mm
       MQ Z1 ———閥座對球體的預緊力產生的摩擦力
       矩, N·mm
       qM Ym in ———最小預緊比壓( qM Ym in = 310 ) ,
       M Pa
       fM ———球體與閥座的摩擦系數( fM = 0111)
       MQ Z2 ———介質工作壓力產生的摩擦力矩,
       N ·mm
       MZC ———軸承中的摩擦力矩, N ·mm
       fz ———軸承摩擦系數( fz = 011)
       MFT ———填料與閥桿的摩擦力矩, N ·mm
       η———系數(η = 0173)
       將數值代入式(4) 、(5) 、(6) 、(7) 、(8) 和
       ( 9 ) 中, 則MQ Z1 = 539N ·m, MQ Z2 = 2 317N·m,
       MQ Z =2 855N·m, MZC = 3 324 N·m,MFT = 201N·m,

       MF = 6 380N·m
       5.3　碟形彈簧的選型與計算

       根據閥門所需要的最小預緊密封比壓以及串聯碟形彈簧的受力情況、壓縮變形量和熱影響的要求, 選擇有支承面碟簧(圖2) 。帶有彈性元件的閥座預緊力由彈性元件產生, 根據所需要的最小預緊比壓qM Ym in = 310M Pa。閥座預緊力QZT和碟形彈簧負荷P為

       式中　QZT ———預緊作用力, N
       FM H ———密封環(huán)帶面積, mm2
       D ———彈簧外徑(D = 292) , mm
       d———內徑( d = 262) , mm
       t———彈簧厚度( t = 716) , mm
       H0 ———單個碟簧自由高度(H0 = 10) , mm
       h0 ′———代替h0 ( h0 ′=H0 - t = 214) , mm
       P ———無支撐面單個碟簧的負荷( P =QZT =
       21 124) , N
       PC ———壓平時碟簧負荷計算值, N

       f———單個碟簧的變形量, mm
       E———彈性模量( E = 012) , M Pa
       μ———泊松比(μ= 013)
       C———直徑比(C =D / d = 1112)
       將數值代入式(10) , 則QZT = 21 124N。將各參數代入式( 11) , 可得單個碟簧的變形量f = 018mm。
       5.4　分析
       ①根據相關計算和驗算數據可得qM F < q <〔q〕可以實現球體與閥座之間的金屬密封。
       ②根據總摩擦扭矩MF 以及相關設計標準對執(zhí)行機構的有關規(guī)定, 可以選擇相應的手動執(zhí)行機構。同時可以對閥桿強度、剪切力以及鍵的長度和數量的選取進行相關驗算。
       ③單個碟簧的變形量f以及串聯碟簧組合的關系, 可知總的變形量。并可以計算出球閥沿流道方向上尺寸鏈的關系, 從而確定相關設計參數。
       ④根據相關設計驗算, 可以對法蘭螺栓進行強度以及數量的驗算, 從而確定端法蘭和上、下法蘭螺栓數量以及螺栓直徑, 以及有關設計標準(如:端法蘭ASM E B1615、結構長度ASM E B 16110等) , 最終完成相關圖紙設計。
       6　結語
       通過熱態(tài)工況試驗及實際使用證明, 水煤漿工況用硬密封球閥適用于介質為含有大量泥砂的高壓原油的采油、輸送始端, 煉油廠中的原油提煉、渣油加氫、焦化工藝等高溫高壓系統(tǒng), 乙烯項目中介質為聚合物顆粒的工況, 有機硅項目中高硬度顆粒介質工況, 造紙行業(yè)中含纖維介質工況, 煤炭化工行業(yè)中及水煤漿氣化合成化肥項目中的部分裝置上。
       參考文獻
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