煤鎖閥故障原因分析與改進(jìn)
分析了煤鎖閥在煤粉加壓氣化工藝中操作過(guò)程、操作條件及其常見(jiàn)故障產(chǎn)生的原因，介紹了新結構的煤鎖球閥及其技術(shù)特征和優(yōu)越性，并通過(guò)實(shí)際應用證實(shí)，新結構的煤鎖球閥能夠在煤粉加壓氣化工藝裝置中長(cháng)周期可靠運行。
1、概述
在煤粉加壓氣化工藝中，如磨煤與干燥系統、煤粉加壓及輸送系統、渣脫除系統和干灰脫除系統等均大量采用煤鎖閥，煤鎖閥包含有鎖斗閥、充壓閥、平衡閥、泄壓閥和煤粉管線(xiàn)切斷閥等。由于煤粉加壓氣化工藝系統是一個(gè)溫度和壓力交變的復雜操作過(guò)程，操作條件惡劣，雖然目前大多數煤鎖閥采用的是國外知名品牌和進(jìn)口產(chǎn)品，但是在其使用過(guò)程中仍然出現很多普遍性的故障，且故障率高，連續使用周期短，一般約為6 個(gè)月，嚴重影響了煤粉氣化工藝裝置的長(cháng)周期可靠運行。
2、工況條件
煤鎖閥的操作介質(zhì)為煤粉+ N2或者煤粉+CO2，設計壓力一般為0.4 ～5.7MPa，最小操作壓差為0.2 ～0.3MPa，最大操作壓差可達5.6MPa，設計溫度為-50 ～160℃，正常操作溫度一般為80℃，煤粉經(jīng)過(guò)磨煤機后具有大量超細粉末，其中90% 以上的煤粉粒級≤90μm，同時(shí)，雖然煤粉經(jīng)過(guò)了烘干和保溫，但是仍然存在有水合物，并使煤粉具有一定的粘結性。另外，煤粉鎖斗閥的開(kāi)關(guān)頻率較高，每20 ～30min 開(kāi)關(guān)一次，開(kāi)關(guān)時(shí)間要求2 ～10s。
3、故障分析
3.1、常見(jiàn)故障
煤鎖閥采用金屬密封球閥，通過(guò)對國外多家品牌的煤鎖閥在國內煤粉加壓氣化裝置不同位置、不同操作條件下實(shí)際使用情況的調研，其常見(jiàn)的故障有4 種。①閥門(mén)開(kāi)關(guān)不到位。②閥門(mén)卡塞，不能動(dòng)作。③內漏。④球體、閥座和流道被沖刷和損壞。其中，最常見(jiàn)的故障是閥門(mén)開(kāi)關(guān)不到位，而開(kāi)關(guān)不到位將使閥門(mén)局部持續受到介質(zhì)的高速沖刷，從而造成閥座和球體損壞、閥門(mén)內漏等。最嚴重的故障是閥門(mén)卡塞、不能動(dòng)作，這將導致氣化爐系統被迫停車(chē)。
3.2、故障分析
經(jīng)對多臺不同故障的煤鎖閥進(jìn)行拆解檢查，其主要問(wèn)題為①球體表面刮傷和噴涂層脫落(圖1和圖2) 。②閥座密封面刮傷和磨損(圖3) 。③閥桿磨損和咬傷(圖4) 。④閥座與球體卡塞(圖5) 。⑤閥腔和球體表面嚴重積灰。
圖1 球體表面刮傷
圖2 球體噴涂層脫落
圖3 閥座密封面刮傷和磨損
圖4 閥桿磨損和咬傷
3.2.1、閥門(mén)開(kāi)關(guān)不到位
閥門(mén)開(kāi)關(guān)不到位發(fā)生的頻率最高。根據拆解檢查以及現場(chǎng)調研情況，分析閥門(mén)開(kāi)關(guān)不到位的主要原因。
圖5 閥座與球體卡塞
(1) 球體和閥座密封面硬化材料本身的耐磨和耐擦傷性能不足，發(fā)生較嚴重的磨損和刮傷后，球體和閥座的摩擦系數增大，閥門(mén)實(shí)際操作扭矩也增大，超出了設計的安全系數范圍，造成閥門(mén)開(kāi)關(guān)不順暢。
(2) 閥座上的刮刀尺寸較小，或者閥座背面彈簧補償力不足，造成刮刀實(shí)際自清潔作用沒(méi)有發(fā)揮出來(lái)，時(shí)間一久，球體表面積灰結垢逐漸嚴重，導致刮刀作用完全失效，閥門(mén)動(dòng)作受阻。
(3) 閥座背面彈簧室密封和防塵性能不足，微細煤灰逐步侵入，最后填滿(mǎn)彈簧室空間，閥座移動(dòng)空間不足，閥門(mén)動(dòng)作卡塞。
(4) 閥桿與軸孔磨損嚴重甚至咬傷，引起閥桿位置偏移和動(dòng)作阻滯。
(5) 現場(chǎng)動(dòng)力源不足，或者執行機構考慮的安全系數不足也是造成閥門(mén)開(kāi)關(guān)不到位的重要原因。煤鎖球閥在打開(kāi)或者關(guān)閉的整個(gè)過(guò)程當中，其扭矩力是不斷變化的，最關(guān)鍵的有起始扭矩、運行扭矩和終止扭矩，其中任何一個(gè)點(diǎn)的安全系數不足都將引起開(kāi)關(guān)不順暢。
3.2.2、閥門(mén)卡塞
閥門(mén)卡塞、不能動(dòng)作對系統來(lái)說(shuō)，其故障是最嚴重的，必須杜絕。從拆解情況及現場(chǎng)調研結果分析故障的主要原因。
(1) 球體表面噴涂層脫落是造成閥門(mén)卡塞、不能動(dòng)作的最主要原因。由于噴涂層的脫落，球體噴涂層脫落處在與閥座刮刀接觸時(shí)被卡住，球體不能繼續按原來(lái)方向轉動(dòng)，也無(wú)法反方向轉動(dòng)。如果無(wú)限制加大執行機構輸出扭矩，還將造成閥座變形，甚至扭斷閥桿的嚴重后果。因此，噴涂層的結合力非常重要。
(2) 閥桿與軸孔配合面的硬度、耐擦傷性能?chē)乐夭蛔�，引起相互接觸面十分嚴重的擦傷、甚至產(chǎn)生積瘤，使閥桿卡塞在軸孔中，無(wú)法動(dòng)作，造成球體不能轉動(dòng)，閥門(mén)被卡塞。
3.2.3、閥門(mén)內漏
閥門(mén)開(kāi)關(guān)不到位、球體和閥座密封面磨損和擦傷、閥座背面彈簧補償力不足是造成閥門(mén)內漏的主要原因。因此，若解決了閥門(mén)開(kāi)關(guān)不到位和閥門(mén)卡塞、不動(dòng)作的故障，閥門(mén)將不會(huì )出現內漏。
3.2.4、球體、閥座和流道被沖刷和損壞
由于球體、閥座及閥門(mén)本體等均是碳鋼或者不銹鋼材質(zhì)生產(chǎn)制造而成，而碳鋼或者不銹鋼材質(zhì)硬度不足，耐流動(dòng)磨損和耐沖刷性能不好，如果表面沒(méi)有進(jìn)行恰當的硬化處理，將很容易被高速流動(dòng)的固體顆粒介質(zhì)沖刷和損壞。
4、改進(jìn)方案
從分析可以看出，產(chǎn)生故障的原因不是單一的，包含了閥門(mén)結構、材料和工藝等多方面的因素。要從根本上解決煤鎖閥的問(wèn)題，必須改進(jìn)該產(chǎn)品的結構設計、材料及制造工藝。
4.1、結構設計
根據煤鎖閥使用介質(zhì)和工況條件，以及原國外閥門(mén)的技術(shù)要點(diǎn)后，對該產(chǎn)品提出了新的改進(jìn)方案，設計開(kāi)發(fā)了一種新結構的煤鎖球閥(圖6) 。
圖6 煤鎖球閥
新結構的灰鎖、煤鎖球閥在結構設計上具有幾個(gè)技術(shù)特征。
(1) 完全密閉的閥座背面碟簧加載結構設計，即使非常細微的煤粉，包括≤90μm 的超細煤粉也無(wú)法侵入，使閥座與球體始終緊密配合。
(2) 中間閥腔設置了兩個(gè)對稱(chēng)分布并與外界連通的吹掃口，可以間歇對球體表面和中間閥腔進(jìn)行吹掃，使閥腔和球體表面沒(méi)有煤灰的粘結、堆積。
(3) 閥桿具有板簧自動(dòng)加載的密封結構設計，超細煤粉無(wú)法進(jìn)入到閥桿與軸套配合處，提高了閥桿與軸套的耐磨性能。
(4) 流道設置了可更換的防沖刷襯套，保護了閥腔和流道免受煤粉顆粒的直接沖刷。
4.2、材料及制造工藝
除了對結構設計進(jìn)行大量改進(jìn)之外，針對關(guān)鍵零部件的材料及制造工藝也進(jìn)行了改進(jìn)。
(1) 采用了中頻感應熱噴涂工藝對球體表面和閥座密封面進(jìn)行噴涂鎳基碳化鎢合金，結合力不低于基體屈服強度，表面硬度可以達到≥64HRC，厚度≥0.7mm，耐磨層的結合強度、耐磨性能和抗擦傷性能均得到加強。
(2) 對閥桿與軸套接觸面堆焊1mm 以上的硬質(zhì)合金耐磨層，提高其接觸應力，閥桿的耐磨性能和抗擦傷性能均得到增強。
(3) 在防沖刷襯套內孔、閥座和球體內孔及閥腔內部采用HVOF超音速火焰噴涂碳化鎢合金，閥門(mén)內部與介質(zhì)接觸處增加了耐沖刷保護層。
4.3、實(shí)際應用
煤鎖球閥經(jīng)過(guò)改進(jìn)結構設計、材料及制造工藝后，在某大型煤氣化改造項目加壓氣化裝置的13 臺煤鎖閥連續運行9 個(gè)多月后，裝置停車(chē)期間對該閥門(mén)進(jìn)行了拆檢，球體和閥座密封面完好、無(wú)結垢、無(wú)劃痕，閥腔無(wú)煤粉堆積，各項性能指標均在設計允許范圍之內。
5、結語(yǔ)
煤鎖閥作為干煤粉氣化工藝裝置的主要閥門(mén)，其發(fā)生的故障和問(wèn)題往往直接影響煤粉加壓氣化工藝系統的正常運行，甚至可能造成系統停車(chē)。國內設計開(kāi)發(fā)的新結構煤鎖球閥對原有國外同類(lèi)產(chǎn)品在結構設計、材料及制造工藝上進(jìn)行了改進(jìn)，并經(jīng)過(guò)長(cháng)期實(shí)際平穩運行和使用，證實(shí)了該閥門(mén)的可靠性和優(yōu)越性，為煤粉加壓氣化工藝裝置中閥門(mén)的選用提供了新的和可靠的途徑。
