煤气化黑水角阀损坏原因与优化方案

邹殿超

(中海石油华鹤煤化有限公司，黑龙江 鹤岗 154100)

中海石油华鹤煤化有限公司煤制化肥项目是坐落于东北黑龙江鹤岗极寒地区条件下的第1套煤气化装置，该煤气化装置设有3台气化炉，为“2开1备”，采用GE水煤浆气化技术[1-2]，以水煤浆为原料，用空分装置供给的氧气作催化剂，在温度1 400 ℃，压力6.5 MPa左右的条件下，在气化炉内进行气化反应，生成以氢气和一氧化碳为主要成分的粗合成气，经冷却洗涤后的粗煤气送至合成氨装置。气化炉和洗涤塔底部黑水通过角阀控制进入高压闪蒸罐。

1 黑水角阀工况概述

黑水角阀是GE水煤浆煤气化装置中的关键阀门，主要安装在气化炉激冷室底部到高压闪蒸罐和洗涤塔底部到高压闪蒸罐的管道上，靠近高压闪蒸罐。在该工况中，介质主要为高温黑水、灰水和渣水，黑水温度可达到240 ℃左右，最大压差可达到6.0 MPa，工况具有高压差、强冲刷、强腐蚀、介质为固液气三相流等特点。阀门使用环境极为恶劣，黑水、灰水及渣水中含有氯离子、硫化氢或磷酸等强腐蚀介质，并含有大量固体颗粒。控制阀在使用中不但要承受阀门压力降引起的高流速煤灰颗粒的冲刷，还要耐受闪蒸溶解的气蚀、黑水汽化引起的腐蚀。尤其是在高压闪蒸过程中，黑水经过角阀后从高压直接降到低压，由于闪蒸出大量工艺气，黑水流过角阀节流元件阀芯的速度非常高，导致阀内件冲刷磨损严重。因此，流体在阀门的流场分布及流速分布对黑水角阀阀体及阀芯阀座等节流零部件的使用寿命产生巨大的影响。

黑水角阀的结构可使流体在阀体内的流向产生90°变化，流路简单、阻力小、渗透少，适用于高压差、高黏度、含有悬浮物和颗粒物流体的调节，可以减少阀内堵塞，也便于自清洁，延长了阀门的使用寿命，适合于高压黑水减压及流量调节的工况。

2 黑水角阀使用中出现的问题

2.1 阀门阀体冲穿

2) 黑水角阀运行参数。该阀门运行工艺参数见表1所列。

表1 气化炉黑水角阀运行工艺参数

2.2 阀芯与阀套脱落

该项目使用的黑水角阀的阀套与阀芯采用机械紧固连接。由于黑水的高速冲击或流量大范围波动，连接处易出现松动，引起阀芯的震动；而阀芯材质为整体烧结硬质合金，硬度高，脆性大，在该频繁振动的工况下容易出现阀芯震裂、震碎与阀套脱离现象，使阀门失去调节作用。

2.3 角阀的冲刷和气蚀分析

1) 黑水角阀结构。该阀门主要由阀体、阀盖、阀杆、阀芯、阀座和扩散段等组成，结构如图1所示。角阀工作时，介质从左侧入口流入，流经阀芯与阀座之间形成的节流口，再依次经过阀座和扩散段后从下侧流出，即侧进底出，通过阀杆的上下移动改变阀芯与阀座之间的相对位置从而改变黑水流量。

2) 闪蒸气蚀分析。液体流过调节阀时，在节流口流速急剧上升，由能量守恒定律可知，速度上升，静态压力p1必然下降，当压力下降到低于液体在当前温度下的饱和蒸汽压pv时，便会汽化，分解出气体，形成气液双相流动，该现象为闪蒸。节流后，速度下降，压力回升，当压力恢复超过pv值后，液体不再继续汽化，同时液体中的气泡将还原为液体。在流体力学中证明，该情况下，气泡内的压力趋近于无穷大，有较大的压力产生，会迫使气泡破裂，形成强大的压力冲击波，对阀内件造成极大损伤，该现象为气蚀。

图1 黑水角阀结构示意

3) 根据黑水固液两相流经角阀减压后流动状态分析，介质对阀芯、阀座、阀座后流道主要产生冲刷和气蚀破坏。在阀门开启节流口处其流速急剧增加，根据能量守恒定律，静压能转变成动能，并且流动状态为湍流。夹杂在黑水介质中的硬质颗粒二氧化硅等，以切割和刺入的方式高速冲刷阀内件，形成破坏力。在节流口处静压能最小，若截面处的压力不大于该液体入口温度下的饱和蒸汽压时部分液体将汽化，使阀后形成固、液、气三相流共存的现象，出现闪蒸。继而压力恢复至高于饱和蒸汽压时气泡破裂，形成气蚀，使阀座后流道内表面出现蜂窝状的小孔。在冲刷和气蚀的双重破坏下，即使阀芯、阀座及阀座后流道采用高硬度的耐磨材料和表面硬化处理也很难恰好适合工况要求。阀门在使用一段时间后阀内件依然出现不同程度的损伤。

2.4 阀门卡涩和外漏

黑水角阀在运行一段时间后出现阀门卡涩和外漏故障，主要原因是阀门在开关调节过程中硬质固体颗粒进入阀杆与填料的间隙处，经长期运行后引起颗粒堆积甚至结垢而将阀杆卡住，导致阀杆输出力不足，引起阀门卡涩。并且填料被硬质固体颗粒破坏后极易出现外漏现象[3]。同时，也存在阀门执行机构的安全系数选择过小，无法在正常的气源压力下将阀门正常打开，出现卡涩问题。

鱼粉、鱼排粉粗灰分含量是鱼粉原料鱼的一种自然属性表现形式，原料鱼个体大则骨骼成分含量高。如果将鱼体两侧的肌肉作为鱼片切除，剩下的鱼排、内脏等作为鱼排粉的生产原料，得到的鱼排粉中粗灰分含量就很高。本文中的鱼排粉主要为罗非鱼、越南巴沙鱼的鱼排粉，都是鱼片生产后的鱼排和内脏制成的鱼排粉，因此其粗灰分含量大于25%。

2.5 筒体耐磨段和筒体法兰盖冲刷腐蚀

1) GE水煤浆煤气化装置在正常运行过程中，气化炉激冷室底部和洗涤塔底部产生的黑水经角阀后进入高压闪蒸罐，黑水角阀后设置筒体，用以减缓高压黑水对闪蒸罐的冲击，高压闪蒸压力设定为0.8 MPa。由于该角阀前后压差较大，且黑水中含有大量的固体颗粒，约240 ℃的高温黑水出角阀后瞬间发生汽化，角阀筒体内介质流速瞬间增大，加剧了角阀筒体的磨损，严重时角阀筒体被黑水磨穿，角阀筒体磨穿后大量黑水外溢，外溢黑水不但影响系统的正常运行，还严重影响现场工作环境[4]。

2) 自装置开车以来，黑水角阀阀座及阀芯被冲刷磨损，角阀筒体侧上部多次因冲刷发生泄漏，严重制约着装置的稳定运行，气化炉停车检修期间发现阀座局部冲刷严重，阀芯表面硬质材料磨损严重。分析原因后，确定为阀门CV值过大，开度变小，黑水流经角阀处形成偏流，从而导致闪蒸，角阀阀座出现局部磨损，内件磨损腐蚀，引起黑水偏喷现象。

3) 黑水经角阀减压流出后，由于流速在角阀筒体内急剧增大，会有大量固体颗粒的黑水直接喷向角阀筒体底部法兰盖，从而造成黑水角阀筒体底盖磨损严重，曾发生几次外漏现象。

3 阀门使用中预防措施与阀门线下优化方案

3.1 防护措施

1) 阀门在开箱验收、安装调试过程中要全面跟踪确认，确保阀门的执行机构附件完好无损，阀门安装前确保阀体内部无脏乱异物，阀门法兰口密封面无损伤。阀体与管道连接的密封垫采用316不绣钢加柔性石墨制作而成的双金属缠绕垫，特别适用于负荷不均匀，接合力易松弛，温度与压力周期性变化，有冲击和震动的场合。该方法能有效地保证阀门的密封，确保阀门无外漏现象，并确保安装中阀门限位调整精准。

2) 为了确保阀门能正常开关调节，DCS操作画面上应能准确反应阀门的开关动作状态，确保操作人员能及时准确地在DCS监控画面上发现阀门开度情况，及时联系维护人员处理[5]。

3) 加强对执行机构仪表气源压力过滤减压阀的巡检力度，尽量避免因执行机构气缸压力不足导致阀门开关不到位的现象发生，并确保仪表空气的洁净与通畅，防止仪表气源压力不稳造成阀门开度调整不顺畅，增加调节时间，影响阀门正常使用。

3.2 阀门线下优化方案

3.2.1优化阀体内腔结构

阀体内腔采用标准的角式流线型设计，且阀腔内过渡处尽量采用大圆弧设计，以避免滞留点和急转弯。若存在流速高、腐蚀性强的恶劣工况，阀体内壁还应采用喷涂硬质合金硬化处理，以提高阀体内壁耐冲刷和耐腐蚀能力。阀门公称直径及节流口规格应尽量按照设计数据表选型，以提高阀门的整体性能。

3.2.2优化阀芯阀杆与阀套连接结构

阀芯与阀套连接通常采用螺栓锁紧阀套后再用螺钉紧固防松。从抵抗介质侧面冲击方面分析，优化方案为在阀芯和阀套处进行外部焊接处理，以保障其安全可靠性。

3.2.3材质处理优化

黑水角阀的阀芯、阀座应采用整体烧结的硬质合金，硬度不小于HRC70。在阀座后流道适当距离内衬整体烧结的硬质合金，目前国内外角阀生产厂家通过在阀座流道后衬一段硬质合金管，即扩散段，硬度大于HRC60，其余流道内喷涂碳化钨或堆焊硬STL合金，一种钴铬钨合金，硬度高，耐热、耐磨性好、抗腐蚀性强，以减少介质对管内件的冲刷和气蚀破坏。硬质合金应采用整体烧结碳化钨，以提高材料的致密性，增加晶粒间的粘合力，从而保证更好的硬度和强度。

由于气蚀的严重性往往发生在金属表面，也可在阀芯、阀座、阀座后流道处喷涂碳化钨或堆焊一层硬质合金，即表面硬化处理，推荐选用STL合金。

阀门喷涂碳化钨和堆焊硬质合金相比，喷涂没有堆焊结合度好，喷涂属于机械结合，堆焊属于冶金融合不会像喷涂一样起皮脱落。喷涂的厚度约为0.5 mm，而堆焊的厚度能达到约3 mm，因此堆焊硬质合金的阀门要耐用一些。该项目选用的黑水阀门的阀芯和阀座选用堆焊STL硬质合金。

3.2.4优化执行机构和填料密封结构

执行机构应采用弹簧薄膜执行机构或免维护气缸活塞执行机构，若选用气动薄膜时体积过大则应选气缸式执行机构。在失去仪表气源或仪表信号时，弹簧安全自动复位，控制阀必须回到工艺安全位置。气源设计压力为0.6 MPa，但要求当执行机构使用在0.4 MPa气源压力下、阀门承受最高压差或关闭时单向压差等于最大工作压力的120%时，阀门仍然能够保持动作自如、灵活可靠。所有阀门的执行机构要计算推力，以确保在最大压降下阀门能可靠开启和关闭。同时控制阀最好配备一个可调整的机械限位装置，当输出控制信号为零时，可调整阀芯离开阀座至少 5%，防止因背压过高，阀门无法打开的现象。

黑水角阀的阀杆比较长，易受介质侧面冲击引起振动，因此在设计工况允许的条件下，适当增加阀杆直径和对中导向套数量，增强阀杆的稳定性。黑水角阀应适当优化选型，控制阀门正常工作开度在30%～80%，避免小开度工作，减少黑水中的介质颗粒对阀芯与阀套的异常冲击。

在阀杆密封填料函处必须设计有防细小物料进入填料密封系统的自清洁结构，同时在设计允许的条件下，尽可能增大执行机构的安全系数，解决因少量物料堆积引起的阀门卡涩。

3.2.5阀门CV值选大优化方案

1) 在阀门后加限流孔板来消耗一部分压降，显然根据现场实际情况实现比较困难。

2) 适当关小管路上的手阀，使黑水角阀获得较为理想的开度。

3) 缩小阀门口径，由上述计算公式可知，CV值减小，qm也减小，为保证通过阀门的流量不变，必须加大阀门开度，避免了阀门在小开度工作。该方案在经费允许的情况下，可根据计算适当换成小口径阀门。

3.2.6优化筒体和底部法兰盖方案

针对黑水角阀下侧筒体处磨损严重的情况，在装置停车检修期间，在筒体外围处堆焊钢板，做加厚处理，延长使用周期，同时在筒体内增加耐磨衬里，减缓黑水对角阀筒体的冲刷，从而整体延长了角阀筒体的使用寿命。针对高压黑水对角阀筒体底盖的磨损现象，通过在角阀筒体底部大盖上堆焊钢板，增加底板厚度来解决磨损问题。

阀门长期工作在恶劣的工况下，磨损不可避免。由于进口阀门的维修费用较高，该项目根据实际情况，本着降本增效的原则，积极选择中国知名维修阀门企业维修，以此保证能及时修复损坏严重的阀门，保证装置的正常生产。

密切关注国内同行业同工况下进口黑水角阀和国产黑水角阀在GE水煤浆煤气化装置中的使用情况，并和阀门企业技术人员做技术交流，了解掌握不同阀门企业、不同结构的阀门，通过对比研究，逐步实现阀门的国产化。

4 结束语

该项目自开车以来，黑水角阀在该工况下基本满足使用要求，通过了东北极寒地区条件下的考验，在GE水煤浆煤气化装置中运行状况相对稳定，为气化炉的安全运行提供了保障，从而保证了装置安全、平稳、长周期满负荷的运行。黑水角阀也存在着缺陷，仍有完善的空间，本文通过对黑水角阀阀芯、阀座的冲刷腐蚀和阀门气蚀闪蒸的研究分析，提出了合理优化方案，期望对相关的生产企业提供参考性价值。