偏心半球閥在水煤漿工況上的應用與研究

　　針對水煤漿工況條件下使用的偏心半球閥的結構進(jìn)行了分析和研究，從偏心半球閥的耐磨性、密封面結構及閥門(mén)結構進(jìn)行分析，闡述了偏心半球閥密封面材料配對形式的選擇及機械加工工藝要求。

一、前言

　　水煤漿是一種新型的潔凈液體燃料，是潔凈煤技術(shù)的重要組成部分。自問(wèn)世以來(lái)以其具有的代油節能、高效燃燒和低污染等諸多優(yōu)點(diǎn)備受各國企業(yè)的青睞，但是水煤漿在制造前后具有腐蝕性強、沖蝕強以及顆粒硬度高等特點(diǎn)。我國的水煤漿技術(shù)已完成了實(shí)驗室和工業(yè)性試驗階段，目前已在大中型電站鍋爐上成功應用，并取得了比較好的經(jīng)濟效益和社會(huì )效益。

二、水煤漿系統中閥門(mén)失效分析

　　由于水煤漿系統工況條件比較惡劣，目前在水煤漿系統使用的閥門(mén)多以進(jìn)口球閥居多，由于球閥是由旋塞閥演變而來(lái)的，它的啟閉件為一個(gè)球體，利用球體繞閥桿的軸線(xiàn)旋轉90°實(shí)現開(kāi)啟和關(guān)閉的目的，在開(kāi)啟和關(guān)閉的過(guò)程中，閥球和閥座密封面一直處于接觸狀態(tài)，在這種含有細粉顆粒的工作介質(zhì)中，密封副之間無(wú)法避免會(huì )有顆粒物質(zhì)進(jìn)入，在頻繁啟閉時(shí)，密封副很可能會(huì )出現破壞現象，導致密封失效，甚至會(huì )出現閥球卡死現象。但是這種進(jìn)口球閥昂貴，制造周期長(cháng)，零配件供應不及時(shí)，維修不方便，一旦發(fā)生故障，可能會(huì )造成系統停車(chē)。根據工況要求和降低客戶(hù)運行成本，研制出了管線(xiàn)輸送水煤漿系統工況下使用的偏心半球閥。

三、偏心半球閥結構特點(diǎn)及工作原理

　　1、結構特點(diǎn)

　　根據水煤漿工況條件，適用于有腐蝕性、顆粒硬度高工況的新型硬密封偏心半球閥具有很多特點(diǎn)。

　　(1)耐腐蝕

　　能滿(mǎn)足石油化工等行業(yè)對腐蝕性能的特殊要求。

　　(2)雙向密封

　　能保證閥門(mén)的雙向密封，使閥門(mén)的密封性能提高，保證介質(zhì)逆向流動(dòng)的密封性能，為防止水煤漿倒流提供安全保障，同時(shí)為在線(xiàn)搶修提供可靠的保障。

　　(3)清洗方便

　　由于水煤漿是一種分別由質(zhì)量分數為不到70%的煤粉、30%的水分以及另加不到1%的化學(xué)添加劑(分散劑和穩定劑)制備成的煤基液態(tài)燃料。在系統檢修停車(chē)時(shí)，停留在閥門(mén)和管道內的煤漿介質(zhì)，極易沉積煤粉顆粒，這樣會(huì )導致閥門(mén)開(kāi)車(chē)時(shí)，無(wú)法正常打開(kāi)。因此在閥體上設有清洗口和排污口，此種結構設計對沖洗閥門(mén)防止啟閉卡死起到至關(guān)重要的作用。

　　(4)耐沖蝕

　　在密封副上不僅堆焊了具有耐蝕性、耐高溫、耐磨性能好的鈷基合金，密封面堆焊厚度t≥3mm，硬度≥55HRC，而且還在閥腔過(guò)流面上噴涂高耐磨性的WC，使得密封副和閥門(mén)過(guò)流表面硬度≥65HRC，這樣使得閥門(mén)具有更好的耐磨性和耐沖刷性能。偏心半球閥(見(jiàn)圖1)在全開(kāi)位置具有低流阻，流阻系數幾乎為零。

圖1 偏心半球閥三維圖

　　采用Ansys有限元分析軟件，對半球閥開(kāi)度為100%時(shí)進(jìn)行了流體域的模擬分析，如圖2所示，最高速出現在進(jìn)口處紅色部分，整體流道速度分布梯度較小，幾乎維持在中間區域，圖中數值與對應顏色比較得出過(guò)流比較順暢，流速分布較均勻，整個(gè)流態(tài)比較平穩，上下兩側幾乎成對稱(chēng)態(tài)勢，整個(gè)流道內流速無(wú)明顯增加，壓力局部損失明顯減小。流場(chǎng)的最高流速沒(méi)有出現在閥座密封面處。閥瓣密封面處介質(zhì)流速很低，這樣閥瓣的磨損較小，如果結合壓力分布圖分析，局部壓力梯度明顯減少。真空技術(shù)網(wǎng)(http://likelearn.cn/)認為這種情況下流阻系數幾乎為零，便能很好地降低能耗。

圖2 偏心半球閥100%開(kāi)度時(shí)流場(chǎng)速度面域分布

　　2、工作原理

　　偏心半球閥的閥體和閥芯回轉中心(即閥桿軸線(xiàn))與閥芯的密封球面的幾何中心偏置一個(gè)徑向尺寸e(見(jiàn)圖3)，還與閥座密封面在閥體通道軸線(xiàn)上有個(gè)偏置尺寸，偏心半球閥依靠?jì)蓚�(gè)偏心實(shí)現自鎖關(guān)閉，偏心的合理選配使得自鎖角小于摩擦角，自鎖角選得太小關(guān)閉容易，開(kāi)啟特困難，角度選大了，雖然開(kāi)啟力小，但關(guān)閉力矩迅猛增加，經(jīng)試驗臺的反復試驗，確定兩個(gè)搭配合理的偏心量至關(guān)重要，可靠的自鎖性能確保其密封嚴密。這是半球閥的核心技術(shù)，從結構原理通過(guò)制造手段來(lái)實(shí)現最佳密封效果。

圖3 偏心半球閥示意

四、密封面材料配對和加工工藝

　　密封副材料的配對的選擇直接關(guān)系到閥門(mén)的性能和使用壽命，根據機械加工工藝和熱處理條件。選擇閥瓣表面噴涂WC和閥座密封面堆焊司太立合金的形式比較理想。這種配對可以實(shí)現閥瓣的密封面的硬度大于閥座處的硬度，能滿(mǎn)足高溫高壓和頻繁開(kāi)啟的應用場(chǎng)合。由于閥座密封面處堆焊司太立較厚，抗咬合性能較好。

　　零件的加工精度對密封可靠性的提高起到關(guān)鍵性作用，尤其是對閥瓣和閥座的加工顯得更加重要。閥瓣密封面處噴涂WC后需要有專(zhuān)用的研磨機磨削加工，閥座堆焊后采用數控機床加工成與閥瓣相同的SR值的圓弧曲面。當閥瓣和閥座密封面達到一定精度時(shí)，兩者進(jìn)行配對研磨。

五、結語(yǔ)

　　上裝式偏心半球閥的密封性能、經(jīng)濟性能和節能降耗性能與球閥相比較，優(yōu)越性已顯得十分突出。其整體結構緊湊，可以在線(xiàn)維修，閥瓣與閥座使用密封性好、密封壓力大。密封面間磨損小，使用壽命長(cháng)，氣動(dòng)或電動(dòng)執行機構運動(dòng)靈活，易于實(shí)現遠程控制和自動(dòng)化(可直接進(jìn)入DCS控制系統)，工作可靠，大大降低現場(chǎng)的勞動(dòng)強度。