煤制烯烴黑水工藝用陶瓷調節球閥結構的改進(jìn)

1、概述

　　近年來(lái)，新型陶瓷復合材料在石油及化工等領(lǐng)域得到了廣泛的應用，尤其在高磨損、強腐蝕、高溫及高壓等惡劣工況，陶瓷閥門(mén)具有其特殊的適用性能。如煤制烯烴的黑水二段閃蒸工藝中，采用陶瓷球閥對黑水進(jìn)行調節。但是閥門(mén)在使用過(guò)程中出現了一些問(wèn)題，通過(guò)對陶瓷球閥的結構分析和改進(jìn)，使其滿(mǎn)足了現場(chǎng)工況系統的要求。

2、技術(shù)參數

　　公稱(chēng)壓力　　150Lb

　　公稱(chēng)通徑　　150mm

　　進(jìn)口壓力　　0. 043MPa

　　出口壓力　　- 0. 058MPa

　　閥門(mén)關(guān)閉壓差　　0. 35MPa

　　最大流速　　867m /s

　　蒸汽壓力　　0. 021MPa

　　臨界壓力　　22. 064MPa

　　適用介質(zhì)　　黑水

3、結構分析

　　在煤化工黑水二段閃蒸工藝系統中，應根據工況系統開(kāi)、停車(chē)的極端工況和正常黑水調節工況下流體綜合因素設計和選用閥門(mén)的參數和結構。由于流體在閥前的操作壓力已接近飽和蒸汽壓，經(jīng)過(guò)閥門(mén)減壓后會(huì )出現閃蒸現象，且含固體顆粒。為減少介質(zhì)對流通通路的沖蝕，應控制閥門(mén)出口介質(zhì)的流速。因此，閥門(mén)應分段減壓，一段是閥瓣( 球體) 、閥座，另一段是孔板組件。整個(gè)閥門(mén)流體通路均為陶瓷組件，具有抗含固流體沖蝕作用( 圖1) 。入口閥座的流道口為長(cháng)條形開(kāi)口，介質(zhì)流經(jīng)閥座時(shí)，通過(guò)改變球體與閥座的接觸面積調節流量。出口閥座是在密封面里面均勻設置小孔。當介質(zhì)經(jīng)球體進(jìn)入出口閥座并經(jīng)均布的小孔流出時(shí)，對介質(zhì)起到減壓和降低流速的作用。閥內件材料見(jiàn)表1�？装褰M件由節流孔板A、長(cháng)度為L(cháng)1的管道、節流孔板B 和長(cháng)度為L(cháng)2的管道組成。通過(guò)出口閥座節流的介質(zhì)首先經(jīng)過(guò)節流孔板A，然后進(jìn)入到長(cháng)度為L(cháng)1的管道中，孔板的尺寸及管道內徑的尺寸有相對擴大的趨勢，因此流經(jīng)介質(zhì)的壓力將有減小的趨勢，對介質(zhì)起到減壓的作用，另外較長(cháng)管道對介質(zhì)也有穩流作用。同樣的，當介質(zhì)通過(guò)節流孔板B 對其進(jìn)行節流減壓后再進(jìn)入長(cháng)度為L(cháng)2的管道中，介質(zhì)將得到進(jìn)一步的減壓和穩流。

表1 原陶瓷球閥內件材料

1. 閥體內襯2. 入口閥體內襯3. 入口閥座4. 出口閥座5. 球體6. 節流孔板A 7. 節流孔板B

圖1 黑水用陶瓷調節球閥

4、改進(jìn)方案

　　陶瓷球閥在使用過(guò)程中主要存在閥體襯套碎裂和球體邊緣吹壞( 圖2) 、閥座開(kāi)裂和節流孔板B 有堵渣等現象。

(a) 閥體襯套碎裂(b) 球體邊緣損壞

圖2 陶瓷球閥受損狀況

　　針對閥后節流孔板的堵渣現象，為了滿(mǎn)足現場(chǎng)的工藝要求對孔板進(jìn)行適當的擴孔處理，避免了節流孔板的堵渣現象。系統介質(zhì)為黑水液固兩相流，經(jīng)過(guò)閥門(mén)節流減壓后的介質(zhì)最大流速可控制到60m /s 以下。由于對節流孔板進(jìn)行了擴孔，經(jīng)閥門(mén)節流孔板后的介質(zhì)流速要大于60m/s，流速增加對節流零部件的沖蝕更加嚴重，因此需選擇節流零部件耐沖刷性能及綜合力學(xué)性能更好的材料。由于閥門(mén)啟閉或小開(kāi)度時(shí)，閥體襯套受到介質(zhì)從正面的高速直接沖擊，同時(shí)球體和閥座也受到不同程度的沖擊和沖蝕，閥門(mén)的內件材料即要有一定的耐磨性，又要有較好的韌性。另外，節流孔板也起到節流和減壓的作用，受沖刷也較嚴重，因此需要重新選擇適合的材料( 表2) 。陶瓷材料的力學(xué)性能對比如表3。

表2 改進(jìn)后陶瓷球閥內件材料

表3 陶瓷材料的力學(xué)性能

　　根據表2 和表3 分析，SiC 硬度高，具有高耐磨損和耐沖刷性能，機械加工性能好，但韌性較差。氧化鋯增韌氧化鋁陶瓷硬度及韌性相對較平均，具有耐磨損、質(zhì)量輕和成本低等特點(diǎn)。WC 金屬陶瓷的耐磨性不如SiC，但其硬度差別不大。WC 金屬陶瓷的抗彎強度和抗壓強度高于SiC 和氧化鋯增韌氧化鋁陶瓷且綜合機械性能較好，缺點(diǎn)是其密度大且價(jià)格昂貴。

　　在閥門(mén)開(kāi)關(guān)的瞬間及小開(kāi)度工作的情況下，閥門(mén)內件及閥體陶瓷襯套受到較大的沖擊，因此需要選擇硬度及抗彎強度和抗壓強度等綜合性能更好的WC 金屬陶瓷�？装褰M件主要起到節流和減壓的作用，也受較大的磨損和一定的沖擊，因此選用耐磨性和韌性均較好的氧化鋯增韌氧化鋁陶瓷復合陶瓷。

5、結語(yǔ)

　　陶瓷球閥采用分段減壓結構后，可有效地緩解介質(zhì)對閥門(mén)內件的沖刷和控制系統中介質(zhì)的流速。另外，采用新型復合陶瓷結構材料制作閥內件提高了閥門(mén)產(chǎn)品的耐沖刷性和抗沖擊性能，大大延長(cháng)了閥門(mén)的使用壽命。根據各個(gè)部位零部件工況的不同，選用更合理的材料，既節約產(chǎn)品的成本，又能達到預期的使用目標。經(jīng)過(guò)改進(jìn)的陶瓷球閥在某煤化工企業(yè)應用已超過(guò)2 年，使用效果良好。

參考文獻

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