粉煤鎖斗閥故障原因分析及解決方案

　　針對球閥作為鎖斗閥時(shí)無(wú)法從根本上解決運行中出現的內泄漏和卡澀/憋壓等故障的缺點(diǎn)，提出了一種新型結構的閥門(mén))))盤(pán)閥，并結合其結構特點(diǎn)闡述了盤(pán)閥作為鎖斗閥的優(yōu)越性。同時(shí)，在研究Shell粉煤氣化裝置粉煤鎖斗閥的選型基礎上，分析了球閥作為鎖斗閥發(fā)生故障的原因和機理。實(shí)際使用情況表明，采用盤(pán)閥替代球閥作為鎖斗閥可以保證鎖斗系統的長(cháng)周期穩定運行。

　　在Shell粉煤氣化裝置中，粉料的處理和輸送大量地采用了鎖斗技術(shù)，包括粉煤的加壓輸送、除灰和除渣等系統。在這些系統中，鎖斗閥無(wú)一例外地選用了球閥。由于鎖斗系統的操作是一個(gè)壓力交變過(guò)程，閥門(mén)的操作條件比較惡劣，因此，鎖斗閥在運行中故障率比較高，給裝置的平穩運行造成了困難。在所有的鎖斗閥中，粉煤鎖斗閥的操作條件尤為苛刻，故障頻率也較高，這已經(jīng)成為制約粉煤氣化裝置長(cháng)周期運行的瓶頸。

1、粉煤鎖斗閥的操作條件和選型

1.1、粉煤鎖斗閥的操作條件

　　粉煤鎖斗閥的操作介質(zhì)為粉煤和氮氣，其中90wt%的粉煤粒度≤90μm。它的操作條件如下：操作溫度80℃ ，操作壓力4.7～0.02MPa，閥門(mén)開(kāi)啟/關(guān)閉時(shí)的壓差0.2～0.3MPa，開(kāi)啟/關(guān)閉次數為2次/h，閥門(mén)動(dòng)作(開(kāi)啟或關(guān)閉)時(shí)間≤15s。

1.2、粉煤鎖斗閥的選型

　　粉煤具有易粘附和磨蝕等特性，尤其是在有氣體存在的情況下，這種特性表現得更為突出。針對此特性和鎖斗閥的操作條件，Shell粉煤氣化裝置選用了氣缸推動(dòng)的金屬硬密封球閥作為粉煤鎖斗閥，閥體材質(zhì)采用碳鋼，球體、閥座和閥桿等內件的材質(zhì)則采用雙相不銹鋼襯Stellite合金。

2、鎖斗閥故障原因分析

　　從實(shí)際使用效果來(lái)看，金屬硬密封球閥不是很令人滿(mǎn)意。國產(chǎn)球閥通常在使用1500h后就會(huì )發(fā)生故障而影響使用;而由世界頂級制造商供貨，如Burgmann和Argus公司生產(chǎn)的球閥，使用壽命也就在6000h左右。鎖斗閥故障最突出的表現就是內泄漏和卡澀現象。

2.1、內泄漏原因分析

　　閥門(mén)內泄漏的產(chǎn)生與工藝介質(zhì)的性質(zhì)、運行條件、密封面噴涂層材料的選擇、密封面及輔助密封結構的設計等諸多因素有著(zhù)直接的關(guān)系。在工業(yè)生產(chǎn)中，閥門(mén)內泄漏的產(chǎn)生主要有兩個(gè)原因：一是密封面硬質(zhì)合金之間的粘結;二是介質(zhì)對密封面的沖刷。

　　研究表明，采用硬質(zhì)合金作密封面的閥門(mén)，在密封面硬質(zhì)合金之間都存在不同程度的粘結現象，即硬密封面之間硬質(zhì)合金的微焊接現象。硬質(zhì)合金的選取如果不合適，密封面之間就會(huì )產(chǎn)生嚴重的粘結，閥門(mén)在啟閉時(shí)就會(huì )撕壞密封面，從而損壞密封區域。生產(chǎn)操作中閥門(mén)開(kāi)啟的瞬間，由于上下游的壓差相對較高，流通間隙較小，造成介質(zhì)流速較快，如果此時(shí)介質(zhì)中含有固體顆粒，就會(huì )對閥門(mén)的密封面產(chǎn)生強烈的磨蝕和沖刷。隨著(zhù)閥門(mén)開(kāi)啟次數的增加，密封面將因磨蝕的積累而逐漸失效，最終導致閥門(mén)內泄漏。

　　單純磨損造成密封面失效很少見(jiàn)，絕大部分的閥門(mén)內泄漏都是這兩個(gè)因素共同作用的結果。粉煤鎖斗閥的密封面失效正是這樣一個(gè)過(guò)程：首先是硬質(zhì)合金的粘結造成密封面撕壞，閥門(mén)開(kāi)啟時(shí)介質(zhì)的沖刷加劇了密封面的損壞，最終造成了閥門(mén)的內泄漏。

　　某裝置現場(chǎng)故障閥門(mén)的解體情況充分證明了上述分析，故障閥門(mén)的球體已不再是一個(gè)光滑均勻的球體，球體的主密封面由于強烈的磨蝕和沖刷被削去了厚厚的一層，而在它的周?chē)鷦t是磨蝕沖刷形成的很多凹槽，球體整體看上去就像熔融的金屬凝固后形成的不規則形狀。

　　經(jīng)過(guò)部分閥門(mén)供貨商的研究分析和材料試驗，證實(shí)密封面的涂層材料并非是越硬越好，也不可能有所謂最佳的適用于所有場(chǎng)合的某一種涂層材料。根據工藝介質(zhì)條件和操作要求，選擇合適的硬質(zhì)涂層避免密封面粘結，并采用合理的密封面結構才是最佳的解決方案。

2.2、卡澀“憋壓”機理分析

　　鎖斗閥的卡澀現象主要與雙球閥串聯(lián)造成的“憋壓”以及密封面硬質(zhì)合金的粘結有關(guān)。在分析鎖斗閥的卡澀“憋壓”機理前，首先了解一下鎖斗系統的操作原理。粉煤鎖斗系統的流程示意圖如圖1所示。

圖1 粉煤鎖斗系統流程示意圖

　　在這個(gè)系統中，粉煤儲罐為低壓系統，粉煤給料罐為高壓系統，鎖斗為高壓-低壓交變系統，粉煤由低壓變高壓、完成連續給料就是通過(guò)鎖斗的反復加壓→y放料→泄壓→進(jìn)料→加壓這樣一個(gè)循環(huán)交變的過(guò)程實(shí)現的。首先，鎖斗處于低壓狀態(tài)，并與粉煤儲罐聯(lián)通，將低壓粉煤由粉煤儲罐放入鎖斗，待鎖斗裝滿(mǎn)粉煤后，即與粉煤儲罐切斷隔離;然后，采用高壓氮氣對鎖斗進(jìn)行加壓，直至與粉煤給料罐的壓力相同時(shí)，打開(kāi)鎖斗閥1、2，聯(lián)通鎖斗與粉煤給料罐，將鎖斗內的粉煤放入粉煤給料罐中，待鎖斗內的粉煤全部送入粉煤給料罐后，關(guān)閉鎖斗閥，并將鎖斗內的氮氣排空、泄壓，直至鎖斗內的壓力與粉煤儲罐壓力相當時(shí)，重新聯(lián)通鎖斗與粉煤儲罐，進(jìn)行下一次的放料循環(huán)過(guò)程。

　　下面結合粉煤鎖斗系統的操作說(shuō)明，分別針對浮動(dòng)球和固定球兩種形式的球閥分析/憋壓0產(chǎn)生的機理。

2.2.1、浮動(dòng)球球閥“憋壓”機理分析

　　若圖1中的鎖斗閥1、2采用浮動(dòng)球結構，其機理如下。在鎖斗向粉煤給料罐放料結束后，關(guān)閉鎖斗閥1、2，此時(shí)，粉煤給料罐、鎖斗以及鎖斗閥1/2之間的管道均處于高壓狀態(tài)，而粉煤儲罐則處于低壓狀態(tài)。在鎖斗與粉煤儲罐聯(lián)通前，鎖斗先要泄壓，直至與粉煤儲罐的壓力相同。在泄壓過(guò)程中，鎖斗閥1的浮動(dòng)球在下游壓力的作用下向上浮動(dòng)，貼緊上密封面[6]，由于鎖斗閥1、2之間的管道空間十分狹小，貼緊的上密封面一旦有絲毫的泄漏發(fā)生，鎖斗閥1、2之間管道內留存的高壓氮氣就會(huì )經(jīng)泄漏區迅速進(jìn)入鎖斗內;隨著(zhù)鎖斗泄壓的進(jìn)行，最終鎖斗閥1、2之間的管道就會(huì )和鎖斗一樣，均處于低壓狀態(tài)。而當鎖斗進(jìn)料結束準備向粉煤給料罐放料時(shí)，則先要對鎖斗加壓，直至鎖斗與粉煤給料罐的壓力相同。在壓力逐漸升高的過(guò)程中，鎖斗閥1的浮動(dòng)球在壓力的作用下脫離原先貼緊的上密封面，轉而向下密封面浮動(dòng)[6]，而且隨著(zhù)鎖斗內壓力的不斷升高，鎖斗閥1的下密封面在壓力助封的作用下會(huì )越壓越緊。這樣，在鎖斗加壓結束后，鎖斗閥1的上游粉煤給料罐以及鎖斗閥2的下游就處于高壓狀態(tài)，而鎖斗閥1、2之間則形成了一個(gè)低壓區，其結果是鎖斗閥1、2的開(kāi)啟壓差達到了4.7MPa，這遠遠高于0.2MPa的設計值，最終造成了鎖斗閥的卡澀/憋壓0，無(wú)法開(kāi)啟。

2.2.2、固定球球閥“憋壓”機理分析

　　當鎖斗閥1、2采用固定球結構時(shí)，與前述工藝過(guò)程一樣，鎖斗放料結束后也要進(jìn)行泄壓。在泄壓的過(guò)程中，鎖斗閥1的下閥座在下游壓力的作用下向上浮動(dòng)，貼緊閥球，此時(shí)下閥座與閥球的密封起作用。如果鎖斗閥1的下閥座密封面一旦有泄漏發(fā)生，鎖斗閥1、2之間管道內留存的高壓氮氣就會(huì )經(jīng)由泄漏區迅速進(jìn)入鎖斗內，并最終與鎖斗一樣，均會(huì )泄壓至低壓狀態(tài)。而當鎖斗進(jìn)料結束加壓時(shí)，隨著(zhù)壓力的逐漸升高，鎖斗閥1的上閥座在上游壓力的作用下貼緊閥球，下閥座則與閥球脫離，并且隨著(zhù)上游壓力的不斷升高，鎖斗閥1的上閥座與閥球的密封面會(huì )越壓越緊，最終造成了鎖斗閥1、2之間形成低壓區，從而造成鎖斗閥1、2的開(kāi)啟壓差達到了4.7MPa，這遠遠高于0.2MPa的設計值，導致鎖斗閥發(fā)生卡澀/憋壓0而無(wú)法開(kāi)啟。

　　值得一提地是，這樣的卡澀“憋壓”并不僅僅發(fā)生在鎖斗與粉煤給料罐之間的雙球閥，鎖斗與粉煤儲罐之間的雙球閥同樣會(huì )發(fā)生卡澀“憋壓”，甚至于平衡管線(xiàn)上的串聯(lián)雙球閥也會(huì )產(chǎn)生卡澀“憋壓”。

　　內泄漏和卡澀“憋壓”這兩種現象既相互作用又相互影響，在惡性循環(huán)中嚴重縮短了球閥的壽命�？�澀“憋壓”故障發(fā)生時(shí)，球閥在開(kāi)啟的最初階段很不順暢，步進(jìn)特征明顯，往往是閥球轉一點(diǎn)停頓一下，再轉一點(diǎn)，再停頓一下。而在這種情況下，固體物料對密封面的沖刷非常厲害(硬度再高的硬質(zhì)合金也很難經(jīng)受這樣的沖刷)，這樣劇烈的沖刷往往在一兩周內就會(huì )造成閥門(mén)根本無(wú)法開(kāi)啟，或者造成密封面受損、內漏嚴重，以致無(wú)法繼續使用�？梢哉f(shuō)，鎖斗閥的卡澀“憋壓”等故障已經(jīng)成為制約鎖斗系統正常運行的最主要因素。

3、解決方案

　　從上述分析可以看出，造成鎖斗閥出現故障進(jìn)而影響鎖斗系統正常運行的根本原因是閥門(mén)結構形式的問(wèn)題，即球閥的這種雙密封面結構造成了上述問(wèn)題，這是球閥自身難以克服的問(wèn)題和缺點(diǎn)。因此，采用球閥作為鎖斗閥是存在致命缺陷的。

　　要徹底解決鎖斗閥的問(wèn)題，就必須尋找出一種全新的、更適合用于處理粉料的閥門(mén)類(lèi)型。目前，國內的閥門(mén)制造商上海富泰斯公司開(kāi)發(fā)出了一種獨特的平面密封閥門(mén)--盤(pán)閥，并已在國內硅化工的粉料處理系統中取代了球閥，得到了廣泛的應用;且其作為鎖斗閥應用于Shell粉煤氣化裝置中，取得了不錯的效果。盤(pán)閥的密封性、可操作性和壽命均已超過(guò)進(jìn)口球閥，從硅化工裝置中使用的效果來(lái)看，它的免維護運行時(shí)間可達世界頂級球閥的3～4倍，甚至更長(cháng)。這對提高裝置的連續運行時(shí)間是一個(gè)有力的保障。

3.1、盤(pán)閥的基本密封原理

　　盤(pán)閥實(shí)質(zhì)上是一種平面密封的硬密封閥門(mén)，其工作原理如圖2所示。盤(pán)閥是通過(guò)閥盤(pán)在閥腔內的滑動(dòng)來(lái)實(shí)現開(kāi)關(guān)的一種閥門(mén)，驅動(dòng)裝置通過(guò)閥桿與搖臂使閥盤(pán)轉動(dòng)一定的角度來(lái)實(shí)現閥門(mén)的開(kāi)啟或關(guān)閉。閥盤(pán)密封面借助彈簧與閥座緊密貼合，彈簧壓力迫使閥盤(pán)始終緊密貼合在閥座上，同時(shí)又允許閥盤(pán)在密封面的垂直方向上有微小的位移，這有助于補償閥門(mén)零件由于熱脹冷縮而引起的形變和多次開(kāi)關(guān)后的微量磨損，克服任何背壓變化對密封的影響并能防止顆粒介質(zhì)進(jìn)入密封面之間。在閥門(mén)啟閉的過(guò)程中，閥盤(pán)不僅圍繞主軸公轉，而且由于閥座密封面對閥盤(pán)在切線(xiàn)方向上的摩擦力使閥盤(pán)產(chǎn)生自轉，這樣的自轉使得閥盤(pán)每次接觸物料的點(diǎn)都不同，所以無(wú)論是沖刷還是磨損都是均勻的;且這種自轉使得閥盤(pán)與閥座之間形成自研磨，這對于密封面具有良好的補償效果。

圖2 盤(pán)閥工作原理圖

3.2、整體解決方案

　　結合鎖斗的工藝運行特點(diǎn)，盤(pán)閥著(zhù)重采取了以下措施。首先，在密封面的材料選擇上，針對煤粉介質(zhì)的特點(diǎn)，選擇了相應的硬質(zhì)合金材料，硬質(zhì)合金材料對于煤粉基本上不粘結，同時(shí)具有良好的韌性和可重復性，非常耐受煤粉的沖刷和磨損。采用此材料加工的密封面不僅具有一定的硬度，而且很好地解決了密封面之間硬質(zhì)合金粘結的問(wèn)題。其次，閥門(mén)的結構上采取了獨特的設計，閥門(mén)的腔體上設置了吹掃口，可以對閥腔實(shí)現吹掃，減少物料在閥腔內的堆積;閥軸采用無(wú)螺紋設計，而且閥軸只有轉動(dòng)，沒(méi)有上下的平動(dòng)，這樣可大大減少填料的磨損，增加了使用壽命;閥盤(pán)被高性能彈簧壓迫在密封閥座上，對于磨損具有很好的補償;閥盤(pán)的邊緣非常鋒利，相當于給閥盤(pán)加裝了刮刀，而且這個(gè)刮刀在切割密封面上殘留的物料時(shí)，具有切向平動(dòng)和軸向轉動(dòng)的雙作用，完全不同于常規球閥刮刀的單一平動(dòng)作用，效果要比常規的球閥刮刀好很多[7]。

3.3、盤(pán)閥作為鎖斗閥的優(yōu)越性

　　作為鎖斗閥，盤(pán)閥的優(yōu)越之處主要體現在三個(gè)方面，即密封面的材料、閥體的結構和密封型式。全新研發(fā)的硬質(zhì)合金材料作為密封面，解決了密封面硬質(zhì)合金的粘結問(wèn)題;同時(shí)，硬質(zhì)合金材料對于煤粉基本上不粘結，并耐受煤粉的沖刷和磨損。

　　閥門(mén)獨特的結構使其帶有“壓力自泄放”功能，即當閥腔內的壓力升高時(shí)，壓力會(huì )自然泄放，從而保證閥門(mén)的開(kāi)啟壓差永遠不會(huì )升高，這樣就從根本上杜絕了“憋壓”的可能性，這是盤(pán)閥用于鎖斗閥最獨特的優(yōu)勢。此外，由于閥體上設置了吹掃口，所以閥腔內的殘留物非常少;且吹掃過(guò)程中對盤(pán)閥的密封面沒(méi)有影響，僅僅影響閥內件。這和球閥的吹掃有很大的不同，球閥的吹掃基本上是沿著(zhù)閥球的切線(xiàn)方向，混雜固體顆粒的吹掃氣對于密封面是有影響和破壞的。

　　盤(pán)閥的密封面垂直于流體方向，由于不存在大角度的散射，其對閥腔內壁的沖刷比球閥弱得多。同時(shí)，由于盤(pán)閥的閥盤(pán)被彈簧壓迫在閥座上，當上下游壓差保持在彈簧允許的范圍內時(shí)，閥盤(pán)是不會(huì )脫離閥座的，而當下游壓力高于上游時(shí)，壓力助封迫使閥盤(pán)更加貼緊閥座，泄漏的可能性更小。

3.4、實(shí)際應用例證

　　2009年9月初，盤(pán)閥在云南大為制氨有限公司的Shell粉煤氣化裝置中得到了應用。盤(pán)閥作為鎖斗閥取代了原先經(jīng)常發(fā)生故障的兩臺進(jìn)口球閥，迄今已平穩運行了六個(gè)多月，共計4500多個(gè)小時(shí)，閥門(mén)未出現內泄漏和卡澀等故障，閥門(mén)開(kāi)關(guān)過(guò)程始終平穩、順暢，有力地保證了粉煤鎖斗系統的長(cháng)周期穩定可靠運行。

　　2010年2月底，煤氣化裝置停車(chē)期間，對此閥進(jìn)行了拆檢。從拆檢的情況看，閥門(mén)在開(kāi)關(guān)了7000多次后，閥盤(pán)和閥座密封面仍完好無(wú)損傷，密封區域光滑平順無(wú)劃痕，閥腔內部未見(jiàn)煤粉殘留堆積，閥門(mén)的其余內件也沒(méi)有明顯的沖蝕和磨損痕跡，閥門(mén)的各項功能指標均在設計值的正常范圍內。拆檢結果有力地證明了盤(pán)閥替代球閥作為鎖斗閥的優(yōu)越性。

4、結束語(yǔ)

　　作為鎖斗閥，球閥在運行中經(jīng)常出現內泄漏和卡澀/憋壓0等故障，這是由球閥的結構形式--密封面結構造成的，僅僅對球閥本身進(jìn)行改進(jìn)已無(wú)法解決這些問(wèn)題，因此球閥作為鎖斗閥存在難以克服的缺陷。而作為替代產(chǎn)品，無(wú)論是從密封面的材料選擇，還是從閥體的結構和密封型式上看，盤(pán)閥都具有球閥無(wú)法比擬的優(yōu)越性，其先進(jìn)的平面密封理念和獨特結構有效地解決了鎖斗閥運行中易出現的問(wèn)題。實(shí)際使用效果也證實(shí)了盤(pán)閥作為鎖斗閥的可靠性和優(yōu)越性，采用盤(pán)閥作為鎖斗閥可以有效地提高鎖斗系統的運行水平。