硅化工用球閥損壞分析及盤(pán)閥的應用
1、概述
有機硅單體合成硅粉用閥的磨損是有機硅生產(chǎn)企業(yè)的一大難題，尤其是在旋風(fēng)下料、回料及放空位置，進(jìn)口耐磨球閥壽命一般少于6個(gè)月，國產(chǎn)耐磨球閥壽命少于1個(gè)半月，影響了系統的穩定運行和企業(yè)的經(jīng)濟效益。本文介紹一種新型特殊耐磨閥——盤(pán)閥。盤(pán)閥在同樣工況的使用壽命可以達到2~3a，是有機硅單體合成和硅化工耐磨閥的首選。
2、分析
2.1、工況條件
應用于旋風(fēng)下料和回料工況的球閥(圖1)，壓力0.7MPa，溫度280°C，輸送介質(zhì)硅粉、甲基氯硅烷和其他高沸物，開(kāi)關(guān)頻率4次/h，顆粒尺寸200目，介質(zhì)硬度62HRC。此工況存在交變壓差，要求閥門(mén)雙向密封，一般采用硬密封球閥實(shí)現快速開(kāi)關(guān)。為了抵抗硅粉的磨損，球體和閥座選擇WC或Cr3C2進(jìn)行表面處理，處理后的表面硬度一般≥67HRC。
圖1 球閥
2.2、損傷
一臺應用于合成硅粉旋風(fēng)下料位置5個(gè)月的球閥拆卸后檢查，其球體(球體材料為410SS，硬質(zhì)合金為WC)的硬質(zhì)合金層受到腐蝕并剝落(圖2)。分析其原因，硅粉和甲基氯硅烷不具有對硬質(zhì)合金的腐蝕性，但是甲基氯硅烷遇到水，會(huì )分解出氯化氫，產(chǎn)生氯離子，對球體和閥座的基體產(chǎn)生腐蝕。有機硅單體合成是間歇性生產(chǎn)，為了保證生產(chǎn)的長(cháng)周期和高效性，每次停車(chē)對系統和管道進(jìn)行吹掃和清洗。另外，停車(chē)期間，空氣中的水會(huì )進(jìn)入系統，系統中殘留的氯硅烷與水接觸產(chǎn)生氯離子。由于氯離子對WC合金和410SS及奧氏體不銹鋼304和316等具有很強的腐蝕性，所以很難有高性能和價(jià)格適中的材料可以選擇。
圖2 球體的硬質(zhì)合金層剝落
Cr3C2可以抵抗氯離子的腐蝕，所以有的進(jìn)口球閥選用Cr3C2處理球體和閥座。但是，Cr3C2在干燥系統的抗粘結能力很弱。對于有機硅單體合成工況，閥門(mén)要求頻繁開(kāi)關(guān)，球體和閥座無(wú)法承受頻繁開(kāi)關(guān)導致硬質(zhì)合金之間的微焊接現象，造成閥門(mén)開(kāi)關(guān)卡塞，并拉傷硬質(zhì)合金層(圖3)。
圖3 球體和閥座拉傷
球體和閥座表面的WC和Cr3C2硬質(zhì)合金層均采用超音速?lài)娡考夹g(shù)處理。由于硬質(zhì)合金與球體和閥座基體材料之間的粘結力較低及腐蝕和頻繁開(kāi)關(guān)導致的交變應力等原因，造成了硬質(zhì)合金層的剝落。
合成硅粉旋風(fēng)下料和回料時(shí)，閥門(mén)開(kāi)啟壓差0.3~0.4MPa。合成硅粉放空時(shí)，閥門(mén)開(kāi)啟壓差為0.6~0.7MPa。硅粉在高速氣流的帶動(dòng)下，迅速釋放，并沖刷球體和閥體，由于球體的硬質(zhì)合金層已經(jīng)剝落，其基體硬度只有21HRC，從發(fā)現泄漏到出現大的缺陷往往只需1~2d時(shí)間。
2.3、其他原因
引起球閥損壞的其他原因還存在高溫、閥體腐蝕及流通通道穿孔等。另外閥門(mén)在開(kāi)關(guān)的過(guò)程中，介質(zhì)必然會(huì )進(jìn)入閥的中腔，隨著(zhù)中腔物料的積累，閥門(mén)的開(kāi)關(guān)扭矩變大，尤其是超細硅粉的堆積，最終導致閥門(mén)的損壞。
3、盤(pán)閥
經(jīng)過(guò)分析，對于有機硅單體合成的旋風(fēng)下料、回料及放空的切斷閥選擇球閥是很難解決其壽命的問(wèn)題。盤(pán)閥(圖4)在硅粉輸送管線(xiàn)的使用上具有明顯的特性。
圖4 盤(pán)閥
(1)驅動(dòng)裝置通過(guò)閥桿與搖臂使閥盤(pán)(閥瓣)轉動(dòng)一定的角度實(shí)現閥門(mén)的開(kāi)關(guān)。閥盤(pán)密封面借助彈簧與閥座緊密貼合，彈簧壓力始終使閥盤(pán)緊密貼合在閥座上，又允許閥盤(pán)在密封面的垂直方向上有位移。這有助于補償閥門(mén)零件由熱脹冷縮而引起的變形和多次開(kāi)關(guān)后產(chǎn)生的微量磨損，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。在盤(pán)閥啟閉過(guò)程中，閥座密封面對閥盤(pán)在切線(xiàn)方向上的摩擦力之差，使閥盤(pán)在一個(gè)啟閉循環(huán)過(guò)程中產(chǎn)生自轉并可以不斷剪切與清掃在工藝過(guò)程中有可能堆積在閥腔內的介質(zhì)。
(2)整體燒結式閥盤(pán)、閥座硬度高，有良好的耐沖刷性和耐腐蝕性。具有自旋轉結構的閥盤(pán)不但可達到與閥座的自研磨作用，增強密封面的自清潔性能，并且在開(kāi)關(guān)過(guò)程中可剪切物料，保留了較為可靠的刮削設計�？稍谑褂弥谐掷m達到ANSIB16.104Ⅵ級密封要求。
(3)閥盤(pán)密封面為碟簧正壓力補充，保證閥門(mén)在設計允許的壓力內提供足夠的密封預緊力，防止物料進(jìn)入密封面造成表面損傷，影響密封性能。
(4)閥桿采用防噴設計，保證了閥門(mén)在高壓場(chǎng)合使用的可靠性。閥桿與軸套用柔性石墨潤滑，解決了高壓閥門(mén)開(kāi)關(guān)時(shí)存在的啟閉扭矩過(guò)大的問(wèn)題，閥門(mén)在操作使用過(guò)程中的安全性也得到了保障。
(5)填料處的彈簧補償設計能保證在溫度及壓力波動(dòng)的情況下，給予填料必須的補償力保證密封。其次，也能滿(mǎn)足長(cháng)期對外漏的密封性能要求。
(6)閥門(mén)內件根據工藝要求的不同，可設計為表面特殊處理。例如選用硬度高，耐沖刷性能好的材料或采用內件表面硬化處理的方式提高耐磨性。
(7)閥門(mén)選擇較大輸出力的執行機構，保證在閥門(mén)內部出現少量堆積時(shí)不影響閥門(mén)正常動(dòng)作到位。
經(jīng)多個(gè)工位及項目使用證明，國產(chǎn)盤(pán)閥可達到現階段硅粉下料裝置的工藝要求，滿(mǎn)足使用工況。但國產(chǎn)盤(pán)閥也存在一定的缺點(diǎn)。①由于執行機構較大，閥門(mén)的操作元件及相應的傳動(dòng)部件尺寸增加。因此，整機的自重和外型尺寸略大于同工位使用的進(jìn)口閥門(mén)。②為保證閥門(mén)在使用過(guò)程中能夠達到密封面刮削和剪切物料的作用，閥盤(pán)采用回復力較大的碟簧。因此，開(kāi)關(guān)時(shí)所需力矩大于進(jìn)口閥門(mén)。
4、結語(yǔ)
進(jìn)口球閥與盤(pán)閥價(jià)格貴，制造周期長(cháng)，零配件供應與售后服務(wù)不及時(shí)，維修不方便，發(fā)生任何微小故障都會(huì )造成設備停車(chē)，給生產(chǎn)單位造成巨大浪費。國產(chǎn)盤(pán)閥是針對硅粉下料工位特殊設計，尤其針對使用中出現的問(wèn)題選用了新的結構和材料，因此在使用周期上也優(yōu)于進(jìn)口閥門(mén)。隨著(zhù)硅化工工業(yè)的發(fā)展，盤(pán)閥將被越來(lái)越多的用戶(hù)使用。
參考文獻
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