煤化工硬密封球阀的设计应用研究

冯一桀

【摘 要】近年来我国社会经济的飞速发展以及工业生产要求逐渐提高，油料能源的紧缺问题也日益严峻，因此煤制烯烃技术开始成为一种有效的能源消耗平衡技术。而在煤化工生产作业中，阀门是非常关键的控制设备，阀门的类型多种多样，本文针对煤化工硬密封球阀的设计与应用问题进行了研究。

【关键词】煤化工；硬密封球阀；设计；应用

中图分类号： TQ53；TH134 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）16-0011-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.16.005

0 引言

硬密封球阀目前已经非常普遍的应用在粉煤气化设备中，其应用介质在过去的油、气、水的基础上增加了煤粉、煤渣、煤浆等高黏结性、高硬度的颗粒。现阶段，无论是外国进口品牌的硬密封球阀或者是国内自主生产的硬密封球阀，在其应用于固体颗粒介质的情况下，往往都会产生内漏与卡涩问题。因此，对于煤化工设备中非常重要的球阀设备也提出了更高的技术要求，我们应当积极借鉴吸取国内外先进技术，对硬密封球阀进行科学设计选型，不断对其优化，合理应用，控制球阀设计应用成本，严控其质量，促进煤化工生产效率的不断提升。

1 煤化工硬密封球阀概述

在煤化工生产作业中，硬密封球阀属于其生产工艺的重要一部分，也是其生产过程中关键的控制设备。阀门包含了各种不同类型，通常在煤化工装置中较为普遍的有闸阀、截止阀、球阀以及蝶阀等，上述阀门都需要承受煤化工生产工艺中的500℃高温与30MPa高压，同时阀门应当具备较强的抗磨损性，它们需要承担走样、燃烧、腐蚀、机械磨损等不同的工况条件，因此其核心装置都应属于耐高温高压的密封球阀，其主要目的是为了更有效的承受上述工况条件，在整个煤化工生产过程中非常重要。

1.1 球阀结构分析

煤化工作业中针对球阀的主要要求是其必须具备高性能、密封性以及硬金属，球阀的结构组成有左阀体、右阀体、球体、右阀座、金属垫圈以及阀杆等。因为球阀自身的硬直金属拥有较强的机械性能以及研磨性能，其楔形垫材料又具备较强的耐高温与防腐性，因此对条件需求较为苛刻的煤化工工艺过程更加适用[1]。

1.2 球阀工作原理

硬密封球阀一般是二片式金属密封球阀进行改造优化而成，改造后左阀体与左阀座设计为一体，同时也优化了右阀座的密封结构，因此球阀在管道中的安装和运行状态下是不具有方向性的。换句话说，即是球阀内的球体右端和煤油上游管连接时，其左端和下游管连接，上游管受到压力后，球阀中的球阀会由于介质压力被紧贴于左阀体内，从而实现其密封性，反之依靠这一原理能够有效保证球阀的双向零泄漏。

1.3 球阀加工工艺

性能相对较高的硬密封球阀在其自身加工工艺上更加强调阀座一体化，即是球体、右阀座、左阀体实现一体化。同时其表面应当实施高强度的硬化处理，随后还需要予以研磨保证其光滑且产生不间断密封带，如此一来才可以更好的保证球阀零泄漏。

2 金屬密封耐磨球阀特性试验

针对硬密封球阀的特性试验，将其工作环境温度提升到550℃，把阀座密封等级调整为ANSI/FCI70-2的Class V级的气动装置内，动作时间5到10s。能够观察到，在实际运行状态下，球阀阀门动作频率相对频繁，同时温度逐渐提升。因为介质为煤渣+N2，拥有一定的腐蚀性，然而运行之后的阀门球体的球面依旧处于光滑状态，这是由于硬体封的球体与阀座已经实施了表面硬化处理，因此在煤化工生产工艺中用于渣水介质的阀门不仅仅要具备耐磨性，同时要能够拥有较强的耐腐蚀性，在试验过程中，现场仪表和防护等级为IP68，防爆等级为ExdIICT4，结合这一试验结果能够了解到硬密封球阀必须要满足以下几种特性：

一是较强的耐磨性。球阀因为遇到高温以及持续运动摩擦的影响，必须要具备耐磨性，一般是球面和阀座需要喷涂碳化物，同时喷涂厚度为0.2到0.4mm左右，硬度也需要控制在65HRC以上，如此才可以确保其耐磨能力达到需求，保证其工作寿命；二是较强的耐腐蚀性，阀体材料的介质一般选择双相不锈钢或合金；三是密封性，能够符合密封试验要求，保证在煤化工生产工艺中球阀能够实现双向零泄漏；四是双密封阀座，主要用于自动密封双活塞效应来阻断介质，防止阀座浮动产生泄漏，实现双向密封性[2]。

3 煤化工硬密封球阀的应用分析

煤化工生产设备通常包含了相关的反应炉、罐釜、管道为主要结构，其中阀门属于最核心的控制性设备，目前来说较为常见的阀门有闸阀、球阀、截止阀等，其所要求承担高压和高温环境，一般选择高压高温的硬密封球阀为主要结构模式。由于煤化工行业的具体情况相对特殊，对于阀门的技术性能也提出了更高的要求，为了更好的保证球阀能够符合煤化工行业要求，需要从其核心结构和工艺上予以分析。

3.1 核心零件工艺

硬密封球芯是球阀中十分重要的结构，在实际的应用中，对硬密封球阀表面硬度、圆度以及粗糙度都提出了非常高的要求，同时因为其自身特征，使用一般的设备对其进行加工还存在一定的难度，所以大部分球阀必须要使用国外进口设备来加工，从而确保其满足特殊工艺需求。目前来说，国外生产工艺较为成熟和先进，常见的为超音速喷涂与热喷涂两种。

（1）热喷涂工艺。这一生产工艺指的是在进行喷焊过程中按照合金加工和实际工艺的相关规定，保证所使用的合金能够在球体表面熔化，进而有效形成熔层。最终沉淀物能够直接确保机体得以形成，金属结晶组织构成合金性物质；（2）超音速喷涂。超音喷涂技术可以说是目前国际上较为先进的喷涂生产工艺，一般来说是凭借燃烧能与电能当成是核心原料，将所用到的喷绘材料进行加热并确保其顺利熔化，同时进行告诉喷绘的一种处理过程，拥有非常高的硬度和强度；（3）球芯磨削工艺。为保证硬密封球阀的密封性可以达到规定标准，对球芯面和圆度都作出了相应的规定，因此必须对球芯面予以粗磨，同时借助于含金刚石的砂条进行精磨，保证其尺寸精度符合要求。

因为球阀最终的密封性能常常是凭借球芯与阀座的共同作用而最终决定的，因此必须将阀座球面以及密封面进行配研，保证阀门吻合度符合相关规定标准，满足密封性需求。

3.2 常见阀门结构

3.2.1 两片式球阀

其一是浮动式结构：结构较为简单，另外阀座球芯还具备中心性作用，弹性加载也可以确保预紧力性平衡，另外在很大程度上提高了实际装配效率，精简了实际加工工序，这一结构降低了球阀的成本，也促进了阀门泄漏安全等级的进一步提高[3]。其二为固定球的硬密结构，这一结构一般来说适用在双向动态密封形式，指的是在左右阀座之后实施弹簧补偿，也即是相关阀座的磨损给予补偿和双向密封。

3.2.2 三片式球阀

三片式球阀通常而言是根据高温、高压工况情况，阀内与阀体等选择锻件毛坯的方式，能够在很大程度上保证维护与阀体所使用的三片式固定球阀体。同时，阀杆还设置了防冲台，定位套能够有效避免阀杆因为介质压力而冲出。三片式球阀一般可应用在气体的传送和高压煤粉中予以直接切断。

3.2.3 偏心球阀

对偏心球阀来说，一般使用偏心结构予以直接铸造，其中囊括了很多不同的类型，对于密封部位而言属于环形平台。因为阀门可以实现单面密封，具备较强的耐高温性，所以也经常应用到能够进行调节的管道中。

3.2.4 上装式球阀

上装式球阀的突出特征为：阀杆、球芯以及底轴通常使用顶部安装进行设计，即便其处于高压环境下也可以有效维持球体始终位于中心位置，阀杆以及球芯自身平稳性较高，在双向动态结构设计时应当尽量避免阀卡死的问题出现。

3.2.5 V型球阀

V型球阀的突出特征是球体和发作选择弹簧支撑。弹簧的形变情况下往往会让阀座与球体产生直接接触，虽然会磨损也能够提供自动性补偿。球芯与阀杆一般选择较为普遍性的连接方式，其回差相对较小，可靠性也有所提升，具备较强的承载力，V型球阀通常情况下能够对液体介质进行切断与调节[4]。

4 煤渣结垢造成卡涩的解决办法

首先，对于密封面材料而言，经过反复试验后，从诸多密封材料中选择出具备较强工况针对性，较高抗粘接性、抗氧化能力以及较好导热性能、导电性能的硬质合金涂层材料。此硬质合金涂层在很大程度上解决了在高压和高温工况之下，硬质合金粘结、氧化和静电放电的相关问题，将其应用到固体颗粒介质中，不管是其耐磨性或者使用寿命都有了很大程度的提高。其次，而对于密封结构来说，可选择定量压缩、双轴承、开口碟簧补偿结构设计，确保在高温、常温以及低温情况下开关扭矩保持稳定和开关到位。另外，球阀卸灰槽的设计也能够有效的处理煤渣结垢导致卡涩的问题，物料进入碟簧之后，能够通过卸灰槽排出碟簧后的灰或浆料，避免碟簧卡死，有效确保阀座的灵活性，进而保证此处扭矩能够维持在标准范围内，确保正常运行。

5 结语

综上所述，硬密封球阀在设计加工过程中的材料成本较高和工艺技术较为复杂、生产工艺难度较大、主体材料以及密封材料的选择和对球体圆度、光滑度、密封面吻合度都提出了更高的要求，所以阀门的价位往往是同类软密封球阀的6到10倍左右，而外国进口阀门的成本又为国产阀门的3到5倍。对于煤化工行业生产而言，硬密封球阀往往都处在高温、高压的环境，同时包含很多固体颗粒、纤维等相对恶劣的工况下，阀门在正常运行一段时间后往往会出现损坏，而很多外国进口阀门在损坏后所需的时间相对较长，无法有效满足国内煤化工企业的生产需求，这也为阀门国产化创造了更好的机会。我们应当对煤化工硬密封球阀进行更加深入全面的研究，从而为煤化工行业的发展做出更大的贡献。

【参考文献】

[1]偶国富，贺亮，王超，赵露露，金浩哲，肖定浩.金属硬密封球阀粗糙接触平面的密封性能研究[J].浙江理工大學学报（自然科学版），2017，37（01）：47-53.

[2]魏继林，王逸飞.国产硬密封球阀在催化剂工况使用故障与分析[J].仪器仪表用户，2016，23（09）：43-45+42.

[3]樊建军.金属硬密封球阀浅谈[J].内蒙古石油化工，2015，41（21）：64-65.

[4]偶国富，肖定浩，易玉微，刘旭，金浩哲.硬密封球阀主密封副接触的特性分析[J].浙江理工大学学报，2015，33（09）：669-674.