固體顆粒介質(zhì)用球閥的故障原因分析及解決方案
殼牌和德士古工藝中固體顆粒介質(zhì)用金屬硬密封球閥運行中易出現內漏、卡澀等故障，分析了發(fā)生故障的原因，優(yōu)化了球閥的結構，優(yōu)化后的球閥耐磨損、沖刷、高溫，應用于煤粉、煤渣等固體顆粒介質(zhì)工況時(shí)，使用壽命明顯提高。
一、前言
金屬硬密封球閥越來(lái)越多地應用于殼牌、德士古等行業(yè)，而其應用介質(zhì)在油、氣、水的基礎上增加了煤粉、煤渣、渣漿及硅粉等高黏結性、高硬度的固體顆粒。由于固體顆粒介質(zhì)的特殊性，應用于此類(lèi)介質(zhì)的球閥使用一段時(shí)間后，易出現內漏、卡澀，開(kāi)關(guān)不到位等故障。當球閥卡澀、開(kāi)關(guān)不到位等情況出現時(shí)，執行器的持續輸出力可能對整閥主要操作件造成破壞，閥門(mén)被迫下線(xiàn)維修，進(jìn)而影響整個(gè)生產(chǎn)線(xiàn)。
目前，不管是進(jìn)口品牌硬密封球閥，如BURGMANN、ARGUS、NELES、VTI、MOGAS等，還是國內生產(chǎn)的硬密封球閥，應用于固體顆粒介質(zhì)工段時(shí)，均容易出現內漏和卡澀現象。為了增加系統在線(xiàn)正常運行的時(shí)間，對金屬硬密封球閥結構進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后的安特威金屬硬密封球閥在含固體顆粒介質(zhì)工段的運行效果良好。
二、故障原因分析
根據客戶(hù)使用情況調查，應用于固體顆粒工段的金屬硬密封球閥，故障頻率較高，容易出現內漏、卡澀等故障，一般金屬硬密封在線(xiàn)運行時(shí)間最多為半年左右，甚至兩三個(gè)月就出現故障，這也成為制約整個(gè)裝置長(cháng)期運行的瓶頸。
1.內漏原因分析
球閥內漏與工藝介質(zhì)的性質(zhì)、運行條件、密封副涂層材料的選擇等因素相關(guān)。球閥內漏直接主要原因：一是密封面涂層沖刷(見(jiàn)圖1)，二是介質(zhì)對密封面的剝落與腐蝕(見(jiàn)圖2)。
圖1 密封面涂層沖刷
圖2 介質(zhì)對密封面的剝落與腐蝕
研究表明，金屬硬密封球閥，密封副之間存在著(zhù)黏結的現象，如果密封副選取不合適，密封面之間就會(huì )產(chǎn)生嚴重的黏結，在開(kāi)關(guān)過(guò)程中密封面之間就嚴重拉傷。
球閥在開(kāi)啟瞬間，由于上下相對游壓差較大，流通間隙較小，流速較快，此時(shí)固體顆粒介質(zhì)會(huì )對球閥密封副產(chǎn)生強烈的沖刷，隨著(zhù)球閥開(kāi)關(guān)頻率不斷增加，沖刷增加而逐漸失效，最終導致球閥嚴重內漏。
2.卡澀及開(kāi)關(guān)不到位原因分析
固體顆粒用球閥卡澀及開(kāi)關(guān)不到位的直接原因如下：
1)密封面拉傷。
2)固體顆粒介質(zhì)在閥腔內堆積。
3)軸承、軸套等不做硬化處理或設計結構不合理。
有些工段開(kāi)啟壓差很大，溫度較高，導致密封面摩擦力較大，開(kāi)關(guān)所需克服的摩擦力所做的功大部分轉化為熱能，升高了密封面的溫度，更加惡化了附著(zhù)磨損和氧化磨損的趨勢，隨著(zhù)開(kāi)關(guān)次數的增加，密封面很容易拉傷，造成開(kāi)關(guān)卡澀。
采用雙重軸承設計和軸套硬化處理，既增加閥桿轉動(dòng)的旋轉點(diǎn)，又通過(guò)增加不同硬度的硬化材料來(lái)提高雙重軸承和軸套硬化的耐磨性和強度，保證了閥門(mén)長(cháng)期高頻率地開(kāi)關(guān)而不會(huì )導致閥桿與軸承、軸套拉傷。
三、優(yōu)化方案
固體顆粒用金屬硬密封球閥，由于其應用介質(zhì)的特殊性，密封面的整體壽命均較短，無(wú)法很好地滿(mǎn)足現場(chǎng)實(shí)際使用需求，存在很大的安全隱患。從閥門(mén)整體結構出發(fā)，優(yōu)化不同部位的設計，如密封面材質(zhì)選擇、開(kāi)口碟簧設計、卸灰槽設計及閥座結構優(yōu)化等，可有效提高應用于固體顆粒的硬密封球閥密封面的使用壽命，進(jìn)而可提高整個(gè)球閥在線(xiàn)運行時(shí)間。
1.密封面材質(zhì)選擇
經(jīng)過(guò)國內外許多球閥供應商試驗研究表明，密封面的涂層材料選擇并非越硬越好，更沒(méi)有最佳的適用于任何場(chǎng)合的特殊材料。根據工藝介質(zhì)條件及操作要求，采用合適硬質(zhì)合金材料，并采用合理的密封結構，才能有效預防密封副黏結。
在密封面材料選擇上，通過(guò)大量的試驗，對幾十種密封副材料進(jìn)行配比試驗，從中挑出了具有超強工況針對性、抗黏接性、抗氧化性、良好導熱性及導電性的硬質(zhì)合金涂層材料。該硬質(zhì)合金涂層徹底解決了高壓、高溫、純凈氣體工況下硬質(zhì)合金黏結，氧化、熱量積累以及靜電放電等難題，其應用于固體顆粒介質(zhì)時(shí)，無(wú)論在耐磨性能還是使用壽命上都得到了很大的提升。
在密封結構上，采用定量壓縮、雙軸承、開(kāi)口碟簧補償等結構設計，保證高溫、常溫和低溫下開(kāi)關(guān)扭矩穩定及開(kāi)關(guān)到位。
2.開(kāi)口碟簧設計
固體顆粒球閥越來(lái)越多地選用碟簧。通常情況下，應用碟簧的球閥即使在無(wú)壓狀態(tài)下，開(kāi)啟與關(guān)閉過(guò)程中產(chǎn)生的扭矩并不相同，開(kāi)啟過(guò)程中扭矩波動(dòng)不大，但關(guān)閉過(guò)程出現扭矩先最大，再突然變小，然后再逐漸增大。原因是：球體在關(guān)閉的過(guò)程中，閥座的側斜造成起始位置與關(guān)閉位置的碟簧預緊力不同，相應的球座密封副之間產(chǎn)生的摩擦力不同。
開(kāi)口碟簧(見(jiàn)圖3)可解決閥門(mén)開(kāi)啟與關(guān)閉扭矩不同的問(wèn)題。球閥開(kāi)啟或關(guān)閉過(guò)程中，開(kāi)口碟簧使開(kāi)口側碟簧力變小，此時(shí)雖然閥座側斜，一側的碟簧壓縮量會(huì )增大，但由于開(kāi)口的影響，使兩側的力基本相同，保證球閥關(guān)閉與開(kāi)啟過(guò)程中球座密封副產(chǎn)生的摩擦力矩基本恒定，降低了整臺球閥的開(kāi)關(guān)扭矩，有效降低閥門(mén)卡澀故障。
圖3 開(kāi)口碟簧示意
3.卸灰槽設計
進(jìn)入到碟簧位置的物料相對螺旋彈簧較易排出，但物料同樣會(huì )進(jìn)入碟簧部位，在碟簧與閥體或閥帽之間形成的三角區域內形成堆積。而且隨著(zhù)壓力的變化，閥座組件會(huì )產(chǎn)生少量的位移，碟簧變形產(chǎn)生的空隙就會(huì )被固體或漿料介質(zhì)填滿(mǎn)，使碟簧無(wú)法復位，失去其固有的彈性補償功能而處于卡死狀態(tài)，從而造成球與座之間的摩擦力只增不減，越來(lái)越大，最終導致球閥開(kāi)始出現卡澀現象，直至執行器無(wú)法驅動(dòng)球閥，最終導致球閥故障。
球閥設計的卸灰槽(見(jiàn)圖4)已很好地解決了這一難題，物料進(jìn)入碟簧后，通過(guò)卸灰槽排出碟簧后面的灰或漿料，碟簧不會(huì )被卡死，良好地保證了閥座的靈活性，從而使該處扭矩很好地控制在設計范圍內，保證了系統的正常運行。
圖4 卸灰槽示意
1.閥球 2.閥座 3.碟簧 4.泄灰槽
除了上述所提及的優(yōu)化設計，針對固體顆粒介質(zhì)用球閥，設計、生產(chǎn)此類(lèi)閥門(mén)時(shí)還確保了以下方面：
1)閥座邊緣銳利，起刮刀作用，防止固體顆粒進(jìn)入閥座與球體的縫隙。
2)閥座環(huán)與閥體內的閥座槽的表面粗糙度與幾何公差合理，保證其間的石墨密封材料在規定的操作及設計溫度下不會(huì )被擠壓，同時(shí)防止由于熱膨脹引起的閥座黏結。
3)座槽內的閥座環(huán)支撐部件在球閥運轉過(guò)程中不會(huì )發(fā)生傾斜。
4)閥座表面具有足夠的硬度，無(wú)污跡、裂縫或凹痕。
四、結語(yǔ)
金屬硬密封球閥應用于煤粉、煤渣、渣漿及硅粉等固體顆粒介質(zhì)時(shí)，易出現內漏、卡澀、開(kāi)關(guān)不到位等故障。通過(guò)優(yōu)化球閥的內部結構，設計生產(chǎn)出來(lái)的球閥具有壽命長(cháng)，耐高溫、耐磨損和耐沖刷等特點(diǎn)，已廣泛應用于高溫、高壓、腐蝕以及結晶、沉淀性介質(zhì)工況，如煤化工的鎖煤閥、鎖渣閥、鎖灰閥以及各自的輸送、放空或平衡管線(xiàn)上。
