钛冶金用高频耐磨球阀的设计开发

孙兵兵，胡高林，耿鹏逞，张娟娟，宋 勇

(洛阳双瑞特种装备有限公司 中国船舶重工集团公司第七二五研究所，河南 洛阳 471000)

0 概述

氯化装置是海绵钛冶炼和氯化法制造钛白粉企业的核心装置，原料经氯化反应之后，生成四氯化钛气体。该装置主要原料为低品位岩矿，含杂质高，工况恶劣，尤其是旋风分离排渣等工况，由于物料硬度高、易堆积、腐蚀性强，对阀门的使用提出了较高的要求，其使用寿命是客户选择的主要关注点。

原料在氯化炉中反应产生得到的四氯化钛气体中包含的固体渣料较多，通常采用旋风分离器分离固体渣料。渣料在旋风分离器的出口，经过两道阀门，排出到冲渣罐或冲渣池中。

目前旋风分离器出口使用的球阀特点为工作频率高、磨损、寿命要求高，且当四氯化钛介质遇水或空气中的水蒸气时，发生反应的产物存在腐蚀。实际现场使用中，该寿命要求也常常不能得到满足，给用户装置的连续运行带来挑战。

本文结合云南新立海绵钛氯化装置的实际工况，对其旋风分离器出口高频耐磨球阀展开研究。该工况工艺要求，阀门的操作频率为2次/min，寿命要求为3个月，总计约259 200次。该球阀工作频率超高，属于年百万次级耐磨球阀，设计制造难度大，其稳定运行能给客户带来显著的经济效益。

图1 旋风分离器出口球阀位置示意

1 问题分析

该工况为典型的固体颗粒介质用快速切断、工作频率高、耐磨、耐腐蚀工况，此工况硬密封球阀容易产生的问题有：(1)密封面磨损，指的是阀体主密封(球体与阀座密封)[1-2]；(2)物料堆积、阀门卡死，操作不动，此时若盲目增大操作力，可能会导致驱动连的零件如阀杆、联轴器损坏；(3)阀门密封不严，导致四氯化钛和下游或空气中的水蒸汽混合，分解产生盐酸，导致阀门腐蚀严重。

应对这些问题，应合理选择阀门类型、零件材料、密封结构和适合的涂层及其加工工艺；严格要求阀门结构设计；在制造环节，应严格控制密封面加工精度，保证球体、阀座密封面较高的配合度，使得密封效果良好、摩檫力小[3-5]。

2 工况参数

工况基本参数如下：

公称通径 DN300

公称压力 PN10

介质 四氯化钛气体和固体渣料

使用温度 200 ℃

设计温度 240 ℃

阀门动作频率 2次/min

行程时间： ≤10 s

密封性 满足GB/T 26480—2011要求

操作方式 气动

手动操作 带(备用)

使用寿命 ≥3个月(≥259 200次，年百万次级)

3 阀门设计

3.1 结构设计

根据该阀门工况，结合其高频、耐磨、耐腐蚀、防介质堆积等要求，从设计端对阀门的使用性能进行针对性设计和调控，确定该阀门的设计结构特点为：三体式固定球阀；阀座的密封面加宽设计；球体采用枢轴固定；用圆柱弹簧施加预紧密封力，设弹簧腔以对圆柱弹簧进行保护；加粗的阀杆设计，采用较安全的驱动链设计，按公称压力选择驱动机构，采用气动双作用执行机构，带手动液压操作机构。结构示意图如图2所示。

图2 旋风分离器出口高频耐磨球阀结构设计

3.2 材质选择

因产品可能面临四氯化钛分解后产生的酸性腐蚀环境，因此需要选用具备一定耐腐蚀性能的主体材料。由于球体和阀座零件的表面进行硬质合金喷涂，故要求其喷涂涂层也具备相对较好的耐腐蚀性能，使得其在局部腐蚀后，涂层不脱落，仍能完成正常的操作和密封。各零件选材如下：

阀体：F304

阀杆：XM-19

球体：F304+Ni60

阀座：F304+Ni55

弹簧：Incoloy X750

螺栓：ASTM A193 B8M CL.2

螺母：ASTM A194 8M CL.2

3.3 设计计算

3.3.1 基本设计

最小壁厚，按《GB/T 12224—2015钢制阀门 一般要求》，并参考《ASME B16.34—2017法兰、螺纹和焊接端连接的阀门》相应材料的温度压力额定值，确定阀门的最小壁厚为15 mm。

法兰端，按《HG/T 20592—2009钢制管法兰》。

结构长度，按《GB/T 12221—2005钢制阀门 结构长度》。

最小通道直径，按《GB/T 12224—2015钢制阀门 一般要求》，300 mm。

3.3.2 球体

球体通道直径按阀门通道直径，球体直径按公式(1)，并考虑加工、工况等特点适当增大，取480 mm。

D=SQRT(d)+bM

(1)

式中D—球体直径，mm；

d—流体通道直径，mm；

bM—密封面宽度，mm。

3.3.3 主密封

密封设计应满足密封条件。密封部位包含阀座密封即阀门主密封，阀座与阀体密封，阀体连接密封，阀杆密封等。现仅介绍主密封的计算。

q=N/AMH

(2)

qmin≤q≤[q]

(3)

式中N—密封面上的法向力，N；

AMH—密封环带面积，mm2；

qmin—必需密封比压，MPa；

[q]—密封面材料的许用比压，MPa。

N=FMZ/cosα

(4)

FMZ=FMY+FMJ

(5)

(6)

(7)

AMH=2×π×R×(L1-L2)

(8)

cosα=(L1+L2)/R/2

(9)

(10)

(11)

qmin=c+K×P/SQRT(bM/10)

式中FMZ—阀座密封圈的总作用力，N；

FMY—弹簧对阀座的预紧力，N；

FMJ—介质经球体压在下游阀座密封面上的力，N；

DMW—阀座密封面外径，mm；

DMN—阀座密封面内径，mm；

qMYmin—阀座预紧的最小比压，MPa；

P—介质压力，MPa；

R—球体半径，mm；

L1—球体中心至密封面内径的距离，mm；

L2—球体中心至密封面外径的距离，mm；

α—密封中径方向与通径轴向的夹角，°；

c—基础密封比压系数，对硬面材料，c=3.5；

K—介质压力系数，对硬面材料，K=1。

3.3.4 弹簧

阀门一般采用的弹簧有圆柱弹簧、碟形弹簧等。本工况介质含炉渣等颗粒物，采用圆柱压缩弹簧，并设计带防尘功能的弹簧安装结构，以保证弹簧不被介质颗粒卡住，具备长期的使用性能。

3.3.5 转矩

驱动装置的输出转矩，应大于阀门启闭动作时的摩擦转矩，对固定球阀其组成有：球体/阀座密封面的摩擦转矩、阀杆与填料的摩擦转矩、阀杆与止推垫(平面轴承)的摩擦转矩等。

M=MMF+MTL+MZT

(12)

式中M—盘阀总的摩擦转矩，N·m；

MMF—阀盘/阀座密封面的摩擦转矩，N·m；

MTL—阀杆与填料的摩擦转矩，N·m；

MZT—阀杆与轴承之间的摩擦转矩，N·m。

3.3.6 驱动装置

按工作压力计算扭矩的2倍进行选型，为减小驱动装置体积重量，选择为双作用气动执行器，同时配备手动液压操作机构，作为备用操作方式。

4 密封副涂层及加工

球阀的密封副指球体和阀座，其涂层选用及加工后的精度，也是保证产品使用寿命的重要因素。

球体及阀座密封面的耐磨材料和工艺是金属硬密封耐磨球阀最重要的技术之一，密封面耐磨材料及工艺的选用需要考虑使用工况的压力、温度、腐蚀性、介质硬度等因素。此外，还需要考虑密封面耐磨材料与基体材料的结合强度、耐磨层的厚度、硬度、孔隙率等多种因素，以及涂层材料对工艺、工况的适用性[3]。

涂层的制作工艺上，目前使用的主流方法有超音速喷涂、热喷涂、激光熔覆技术等[5]，其他工艺如堆焊、渗氮、渗硼、镀铬，因为工艺稳定性、效率、硬化层均匀性、硬度、硬化层厚度等方面存在不足，硬密封球阀基本不采用。

根据工况的腐蚀性及涂层粉末的工艺性，我们选择热喷涂工艺喷涂镍基合金，镍是主要成分，也是耐磨材料与基体材料的粘合剂，其他元素包括铬、硼、硅等，工艺特点是需要高温加热基体及镍基合金材料，喷涂后耐磨材料与基体达到冶金结合，涂层特点为结合强度高、厚度较大(0.5～1.0 mm)、硬度较高。所选用的球体的密封面涂层材质为Ni60，硬度为HRC58～63；阀座的密封面涂层材质为Ni55，硬度为53～58。

球体、阀座的加工工序为车-喷涂-磨-配研。保证球体、阀座表面严密贴合的要点，是将密封副加工到公差要求范围内，再进行球体和阀座的配研。配研后，应对球体、阀座进行的加工状态检测，检测方法有：三坐标检测、渗透性检测等，如图3、图4所示。

图3 三坐标检测球体圆度

图4 用煤油检测球体/阀座密封面密封性

5 试验验证

阀门装配完成后，按照试验《GB/T 26480—2011阀门的检验和试验》进行出厂性能试验。出厂试验合格后，在云南新立海绵钛氯化装置旋风分离器出口工位上进行了三个多月的实际工况运行，动作次数已超过26万次，阀门密封良好、动作顺畅、性能优异，在寿命上已经超过已知同类装置上耐磨球阀的使用效果，有力保障了用户装置的连续运行。

6 结论

本文叙述了海绵钛冶炼及氯化法钛白粉的氯化装置旋风分离器出口高频耐磨球阀设计的思路、方法，并结合实际工况，进行了设计、制造实践，经过样机试用后表明，产品性能良好，寿命长，完全满足工况的使用需求，其稳定运行给客户带来显著的经济效益。

图5 旋风分离器出口球阀调试完毕