具有流量控制功能防沖刷磨損球閥的設計與開(kāi)發(fā)

　　分析了常規金屬密封球閥用于含硬固體顆粒介質(zhì)的管路系統進(jìn)行流量控制時(shí)的損壞原因，介紹了3 種具有流量控制功能防沖刷磨損的球閥及流量控制系統的結構與設計。產(chǎn)品已獲國家專(zhuān)利( 專(zhuān)利號: ZL 201120216593. 7、ZL 201120470509. 4、ZL 201420294111. 3) 。

1、概述

　　隨著(zhù)工業(yè)的發(fā)展，閥門(mén)的使用工況越來(lái)越復雜，在很多工業(yè)領(lǐng)域，如煤制油、煤化工、多晶硅、有機硅、催化汽油吸附脫硫、延遲焦化、電廠(chǎng)排渣等裝置，管路系統中的介質(zhì)含有大量的硬固體顆粒。對于閘閥、截止閥等傳統閥類(lèi)，由于固體顆粒介質(zhì)會(huì )在閥腔中沉積，導致閥門(mén)無(wú)法關(guān)閉和密封。另外，閥門(mén)開(kāi)啟時(shí)密封面暴露在介質(zhì)中，硬固體顆粒介質(zhì)會(huì )直接沖刷和磨損密封面，閥門(mén)使用壽命極短，因此，目前國內外針對該類(lèi)工況一般選用金屬密封球閥。

　　金屬密封球閥在全開(kāi)啟狀態(tài)下，閥座密封面及球體密封面處于受保護狀態(tài)，不會(huì )被硬固體顆粒介質(zhì)沖刷和磨損。在開(kāi)啟和關(guān)閉過(guò)程中金屬密封球閥能夠自動(dòng)刮除密封面上的固體介質(zhì)，從而確�？煽棵芊�，另外，耐磨球閥的密封面采用耐磨材料，因此，閥門(mén)用于含硬固體顆粒介質(zhì)的管路系統進(jìn)行開(kāi)關(guān)控制時(shí)，具有理想的使用效果和使用壽命。但是，當含硬固體顆粒介質(zhì)的管路系統需要進(jìn)行流量控制時(shí)，常規金屬密封球閥的使用壽命卻很短，大量的使用表明，常規金屬密封球閥僅適用于含硬固體顆粒介質(zhì)管路系統的開(kāi)關(guān)控制，而不適用該類(lèi)管路系統的流量控制。

2、常規金屬密封球閥用于管路系統流量控制時(shí)的分析

　　通常金屬密封球閥用于含硬固體顆粒介質(zhì)管路系統的開(kāi)關(guān)控制。但是，某些工況需要用耐磨球閥進(jìn)行管路系統的流量調節與控制。常規金屬密封球閥在硬固體顆粒介質(zhì)的管路系統進(jìn)行流量調節和流量控制時(shí)壽命很短，甚至使用數小時(shí)閥門(mén)就完全損壞。為了控制管路系統的流量，球閥處于部分開(kāi)啟狀態(tài)(圖1) ，此時(shí)，流經(jīng)球閥的介質(zhì)在通道截面1 處由于節流而使流速增大，高速流動(dòng)的固體顆粒介質(zhì)

　　直接沖刷在球體的A 部位以及閥體的B 部位，導致A、B 部位的磨損與損壞。圖2 是常規金屬密封球閥用于含硬固體顆粒介質(zhì)的管路系統進(jìn)流量調節時(shí)的損壞情況。

圖1 金屬密封球閥處于部分開(kāi)啟狀態(tài)

圖2 金屬密封球閥受到?jīng)_刷和磨損的狀態(tài)

　　當常規金屬密封球閥用于管路系統進(jìn)行流量調節時(shí)，閥門(mén)內部介質(zhì)經(jīng)節流后流速增大、流向改變，導致硬固體顆粒介質(zhì)直接對球體和閥體的高速沖刷，是常規金屬密封球閥磨損和損壞的原因。

3、具有流量控制功能防沖刷磨損球閥及流量控制系統的結構設計

　　通過(guò)改變球閥的開(kāi)度來(lái)達到控制管路系統流量的目的，但是，球閥在改變開(kāi)度的同時(shí)也改變了介質(zhì)在局部區域的流速和流向，導致高速流動(dòng)的介質(zhì)直接對球體及閥體的沖刷，因此，通過(guò)對球閥結構設計的改變，盡可能減少高速流動(dòng)介質(zhì)對球體及閥體的直接沖刷，從而延長(cháng)球閥的使用壽命。圖3 是一種適用于流量控制的耐磨球閥，該結構設計是將球體出口一側去除一部分，當球閥通過(guò)改變開(kāi)度來(lái)控制流量時(shí)，經(jīng)過(guò)球體進(jìn)口側的高速流體的流向不會(huì )有很大的改變。因此，真空技術(shù)網(wǎng)（http://likelearn.cn/）認為介質(zhì)對于球體及閥體的沖刷會(huì )大大減少，從而有效減少了球體及閥體的磨損和損壞，實(shí)際使用表明，該結構的球閥用于含硬固體顆粒介質(zhì)的管路系統進(jìn)行流量控制時(shí)，使用壽命提高了10 多倍。

　　圖3的耐磨球閥可以通過(guò)改變球體的開(kāi)度來(lái)調節管路系統的流量，但是，采用該結構的耐磨球閥進(jìn)行流量調節與控制時(shí)，介質(zhì)的流動(dòng)方向還是有一些改變，從而會(huì )對球體及閥體有一定程度的沖刷和磨損。因此，針對定流量管路控制系統，設計開(kāi)發(fā)了另一種具有流量控制功能的防沖刷磨損的耐磨球閥(圖4) ，該結構的球閥采用半球結構設計，在球體上設置了一個(gè)小孔，該小孔的尺寸根據需要控制的流量進(jìn)行設置，當球閥全開(kāi)啟時(shí)，通道完全暢通，此時(shí)介質(zhì)的流動(dòng)基本不會(huì )對閥門(mén)產(chǎn)生沖刷和磨損。當需要進(jìn)行管路系統的流量控制時(shí)，球體上的小孔處于閥門(mén)通道的正中位置，此時(shí)，經(jīng)過(guò)該小孔的節流，高速流經(jīng)小孔的介質(zhì)處于球閥通道的正中部位，故不會(huì )對閥體及球體產(chǎn)生沖刷和磨損。采用該結構的耐磨球閥替代常規耐磨球閥，成功應用于煤氣化裝置的渣水排放，實(shí)際使用表明，閥門(mén)的使用壽命提高了幾十倍。

圖3 具有流量控制功能防沖刷磨損的耐磨球閥

圖4 具有流量控制功能防沖刷磨損的耐磨球閥工作狀態(tài)

　　在工程管路系統中的介質(zhì)含有大量硬固體顆粒，當管路系統壓力較高時(shí)需要通過(guò)閥門(mén)來(lái)控制管路中介質(zhì)的流量，避免因流量過(guò)大而發(fā)生事故，而當管路中的壓力降低到規定的壓力后，要求管路暢通使介質(zhì)迅速排放。為了滿(mǎn)足使用要求，設計開(kāi)發(fā)了采用金屬密封球閥的防沖刷磨損的管路流量控制系統( 圖5) 。圖中A 是管路的進(jìn)口側，B 是管路的出口側，在主管線(xiàn)耐磨球閥的進(jìn)出口兩側設置旁路管線(xiàn)，在旁路管線(xiàn)上安裝流量限制孔板和旁路管線(xiàn)耐磨球閥�？装逶O置在旁路管線(xiàn)的進(jìn)口一側，在旁路管線(xiàn)的出口一側設置耐磨球閥�？装宓南蘖骺自O置在孔板的中心位置，孔板限流孔的孔徑根據流量確定。通常要求旁路管線(xiàn)的通道面積數倍于孔板的限流孔面積。真空技術(shù)網(wǎng)（http://likelearn.cn/）為了確�？装宓哪湍バ阅�，孔板通常采用硬質(zhì)合金、陶瓷等耐磨材料制造。

　　主管線(xiàn)耐磨球閥和旁路管線(xiàn)金屬密封球閥關(guān)閉時(shí)，管路系統處于關(guān)閉狀態(tài)。當進(jìn)口側壓力較高，開(kāi)啟閥門(mén)時(shí)需要控制管路系統的流量。先將旁路管線(xiàn)耐磨球閥全開(kāi)啟，此時(shí)，進(jìn)口側的高壓介質(zhì)通過(guò)旁路管線(xiàn)流到出口側，孔板的限流使流量得到了控制。由于旁路管線(xiàn)的通道面積遠大于孔板的通道面積，受孔板的限制，旁路管線(xiàn)的流速也得到了限制，避免了旁路管線(xiàn)因為介質(zhì)流速較大而被沖刷磨損�？装宓南蘖�，介質(zhì)流經(jīng)孔板時(shí)會(huì )產(chǎn)生較高的流速，由于限流孔設置在孔板的中心，因此經(jīng)過(guò)孔板的高速介質(zhì)不會(huì )直接沖刷到管壁，從而確保了旁路管線(xiàn)不會(huì )被沖刷磨損。當進(jìn)口側壓力通過(guò)旁路管線(xiàn)泄放而降低到規定的壓力時(shí)，可以將主管線(xiàn)耐磨球閥打開(kāi)，此時(shí)能夠保證主管路暢通，使介質(zhì)得到迅速的排放。

　　系統在進(jìn)行主管線(xiàn)的開(kāi)關(guān)控制以及流量控制時(shí)，主管線(xiàn)耐磨球閥和旁路管線(xiàn)耐磨球閥均只需要全開(kāi)全關(guān)操作，而不需要部分開(kāi)啟，因此，可以防止球閥因為部分開(kāi)啟而導致介質(zhì)對球體及閥體的沖刷磨損。管路流量控制系統滿(mǎn)足了工況對于系統開(kāi)關(guān)及流量控制的要求，并能夠有效防止閥門(mén)使用時(shí)被沖刷磨損。該流量控制系統已成功應用于垃圾處理發(fā)電系統，使用結果表明，采用該流量控制系統替代單一的耐磨球閥，可提高閥門(mén)的使用壽命幾十倍。

圖5 防沖刷磨損的管路流量控制系統

4、結語(yǔ)

　　常規金屬密封球閥用于含硬固體顆粒介質(zhì)的管路系統進(jìn)行開(kāi)關(guān)控制時(shí)具有良好的使用壽命，但用于該管路系統進(jìn)行流量控制時(shí)使用壽命很短。針對常規金屬密封球閥用于流量控制時(shí)的損壞原因及不同流量的控制要求，設計開(kāi)發(fā)的3 種具有流量控制功能防沖刷磨損耐磨球閥以及流量控制系統，成功應用于多種含硬固體顆粒的管路系統中，能夠有效防止硬固體顆粒介質(zhì)的沖刷和磨損，使用壽命長(cháng)。