介紹了煤氣化裝置水煤漿氣動控制球閥的研究過程，分析了煤氣化工況系統(tǒng)的主要技術(shù)難點，給出了產(chǎn)品國產(chǎn)化研究的具體解決方案，并對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的設計計算提出了新的思路。

1、概述

　　煤氣化裝置的水煤漿是由55% ～ 70% 不同粒度分布的煤，29% ～ 44% 的水和約1% 的化學添加劑制備而成的混合物。水煤漿介質(zhì)中含大量的硬質(zhì)固體顆粒，具有較強的應力腐蝕，還具有高溫、高壓的特點，極易對閥門造成磨損、沖刷、沉積及卡塞。軟密封球閥及普通的硬密封球閥很難在該工況中長期可靠應用，因此，真空技術(shù)網(wǎng)(http://m.mp99x.cn/)認為煤氣化裝置水煤漿耐磨球閥的研究和開發(fā)是非常重要的。

2、技術(shù)分析

　　煤氣化裝置水煤漿管線閥門一般分為煤漿管線第1 切斷閥、煤漿管線第2 切斷閥和煤漿管線回流切斷閥。煤漿管線的操作壓力或關(guān)閉壓差一般達到6. 5 ～ 13. 5MPa，工況溫度一般為60 ～ 425℃，加上介質(zhì)中含有大量硬質(zhì)的固體顆粒。因此，為了保證煤氣化裝置水煤漿管線閥門的長期安全、可靠和穩(wěn)定使用，必須克服閥門存在的幾個技術(shù)難點。

　　(1) 高操作壓力所產(chǎn)生的高速流動介質(zhì)極容易對球體、閥座和閥腔，特別是球體造成強烈沖刷和磨損，導致球體和閥座密封失效，甚至報廢。

　　(2) 煤漿介質(zhì)極易粘結(jié)在球體表面，造成閥門無法打開或關(guān)閉。

　　(3) 煤漿內(nèi)的細小固體顆粒很容易進入到閥桿和軸套內(nèi)部，閥桿長時間在硬質(zhì)固體顆粒的摩擦運動下快速磨損，造成軸套和閥桿間隙不斷擴大，直至無法工作。

　　(4) 煤漿內(nèi)的細小固體顆粒還可能進入到閥座背面，將彈簧室塞滿或卡塞，使閥座無法正常工作。

　　(5) 高壓介質(zhì)所產(chǎn)生的高密封比壓以及固體顆粒所產(chǎn)生的高摩擦阻力，造成閥門需要更大的操作扭矩，而大操作扭矩的執(zhí)行裝置往往導致支架位置變動、閥桿變形或扭斷。

3、結(jié)構(gòu)設計

　　針對水煤漿介質(zhì)的特點和技術(shù)難點，采用了氣動金屬密封耐磨球閥結(jié)構(gòu)的設計( 圖1) 。

　　(1) 刮刀式閥座結(jié)構(gòu)。在閥門啟閉過程中能夠自動刮除球面上的雜質(zhì)，自動清潔球面。

　　(2) 閥座背面板簧加載結(jié)構(gòu)。以補償由于溫度變化造成零部件的變形，避免閥座出現(xiàn)卡塞現(xiàn)象，并且彈簧腔室采用防砂結(jié)構(gòu)設計，杜絕了固體顆�；螂s質(zhì)的侵入。

　　(3) 防側(cè)向偏移功能上下支撐軸結(jié)構(gòu)。閥桿能夠承受介質(zhì)強大的側(cè)向推力。

　　(4) 動態(tài)載荷填料密封結(jié)構(gòu)�？梢詫崿F(xiàn)對填料自動施加適當?shù)耐饬Α?/p>

　　(5) 防扭轉(zhuǎn)偏移支架結(jié)構(gòu)�？朔�了一般支架結(jié)構(gòu)容易導致執(zhí)行機構(gòu)與閥門連接松動甚至脫落的嚴重缺陷，防止了巨大的氣缸或執(zhí)行機構(gòu)扭轉(zhuǎn)力改變執(zhí)行機構(gòu)、閥桿、支架、球體和閥座等相對位置的可能性。

1. 閥體2. 閥蓋3. 球體4. 閥座5. 閥座密封圈6. 板簧密封圈7. 板簧8. 閥桿9. 填料10. 支架11. 氣動執(zhí)行機構(gòu)

圖1 氣動控制金屬密封球閥

4、執(zhí)行機構(gòu)及其氣路設計

　　為了達到系統(tǒng)順控的要求，實現(xiàn)閥門的快速開啟和關(guān)閉，以及使閥門避免卡塞和防止沖刷，并達到ESD 功能。根據(jù)設計要求，采用了彈簧復位的氣動執(zhí)行機構(gòu)，以實現(xiàn)閥門的快速啟閉和安全操作。典型氣路設計原理( 以FC 為例) 見圖2。

　　(1) 閥門開啟時，電磁閥首先帶電工作，壓縮空氣經(jīng)過濾減壓閥的過濾和減壓后通過電磁閥啟動氣控制器的先導閥。先導閥工作的同時帶動氣控閥主閥工作，壓縮空氣隨即通過快排閥進入氣動執(zhí)行機構(gòu)的氣缸內(nèi)驅(qū)動閥門，直到閥門完全打開。

　　(2) 當電磁閥失電或氣源失氣時，氣動執(zhí)行機構(gòu)內(nèi)部的彈簧立即自動工作，將氣缸內(nèi)的壓縮空氣直接從快排閥快速排出到大氣，完成快速關(guān)閉閥門的動作，回到設定的安全位置。

5、工藝控制

　　(1) 閥門整體流道噴涂硬質(zhì)合金保護層，防止了介質(zhì)的強烈沖刷和磨損。

　　(2) 動配合處均進行適當?shù)挠不�處理，確保長期耐磨性能和使用可靠性。

　　(3) 球體和閥座采用噴焊或噴涂的硬化處理方式，硬度≥60HRC，兩者之間并具有一定的硬度差，保證長期應用的耐磨性能。

　　(4) 對球體和閥座密封面采用配對研磨的措施，保證密封面吻合度達到100%，使閥門的密封等級能夠達到ASME B16. 104 /FCI 70 - 2 規(guī)定的Ⅵ級要求。

1. 氣動執(zhí)行機構(gòu)2. 快排閥3. 氣動控制器4. 閥位開關(guān)5. 電磁閥6. 過濾減壓閥

圖2 典型氣路原理

6、設計計算

　　對于水煤漿氣動控制球閥的設計計算可以采用傳統(tǒng)的經(jīng)驗公式計算法和有限元分析法相結(jié)合進行。

6.1、經(jīng)驗公式計算法

　　水煤漿氣動控制球閥的計算項目及經(jīng)驗公式可根據(jù)表1 進行。

表1 計算項目及公式

6.2、有限元分析法

　　在傳統(tǒng)經(jīng)驗公式計算法中，對于球體、支架等的計算和校核比較復雜，因此，可以采用有限元分析法相結(jié)合的方法計算。

　　(1) 球體

　　根據(jù)實際使用情況，應從球體的前端和后端同時施加設計要求的壓力和載荷，并對球體的總變形量、等效應力和安全系數(shù)計算和分析。從圖3、圖4和圖5 中可以直觀地得出球體各個不同方面的分析結(jié)果。

圖3 球體的總變形量

圖4 球體的等效應力

圖5 球體的安全系數(shù)

　　(2) 支架

　　支架結(jié)構(gòu)是影響閥門運行的重要因素。從圖6、圖7 和圖8 中可以直觀地得出支架各個不同方面的分析結(jié)果。

　　通過傳統(tǒng)經(jīng)驗公式計算法和有限元分析法的相結(jié)合和相比較，不僅可以得到精確可靠的設計數(shù)據(jù)，并且可以對初步設計的結(jié)果進行校核和優(yōu)化。

圖6 支架的總變形量

圖7 支架的等效應力

圖8 支架的安全系數(shù)

7、結(jié)語

　　目前，水煤漿氣化技術(shù)已被列為國家能源發(fā)展的重點推廣技術(shù)。通過對煤化工氣化裝置的關(guān)鍵閥門，包括水煤漿氣動控制球閥的研究和開發(fā)，具有自主知識產(chǎn)權(quán)的國產(chǎn)化水煤漿氣動控制球閥已經(jīng)較大批量的成功應用在煤化工及煤漿輸送管線等項目，解決了煤氣化用閥的主要技術(shù)難點，滿足了工況系統(tǒng)的需求，得到了用戶的認可。