煤化工锁渣系统用高温耐磨盘阀的设计及开发

孙兵兵，王首宝，耿鹏逞，张娟娟，周 展，杨俊峰

(1.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；2.中海石油宁波大榭石化有限公司，浙江 宁波 315812)

0 概述

盘阀是通过滑动圆盘来实现开关的一种快开快关型阀门，是专门针对带有磨损、冲蚀性的含固物料输送工况而设计的阀门[1]。近几年来，盘阀在国内的煤化工气化炉装置、海绵钛冶炼等粉料输送系统等颗粒介质工况应用中，性能优异，受到了客户的广泛关注。

以义马煤业综能新能源责任有限公司(下称义煤综能)U-GAS煤气化装置为试点，展开固体物料输送苛刻工况的高温耐磨盘阀设计及应用研究。该公司共有3台U-GAS气化炉，每台气化炉的锁渣系统使用高温耐磨盘阀3台。该盘阀工作频率为6次/h，4个生产周期一共50 000次。

图1 煤气化装置锁渣系统盘阀使用位置示意图

1 问题分析

该工况为典型的固体颗粒介质用快速切断、耐磨工况，此工况之前主要使用硬密封球阀，但硬密封球阀容易产生的问题有：

(1)密封面磨损，阀体主密封(球体与阀座密封)泄漏[2-4]；密封不严，导致储渣罐中压力降低，介质泄漏到下游的储罐或捞渣机，也给后续工段操作带来安全风险。

(2)物料堆积、阀门卡死，操作不动，此时若盲目增大操作力，可能会导致驱动链的零件如阀杆、联轴器损坏；且由于锁渣系统位于气化炉的出口，一旦发生卡死的情况，故障未能及时解决，将导致装置紧急停车[5-6]。

盘阀与球阀相比，从原理上即具有独特的旋转自研磨密封结构，可以保证密封的长期可靠。旋转剪切圆盘自旋转、自研磨及增强阀座的自清洁能力，使得阀盘、阀座密封面磨损均匀，寿命范围内，阀盘与阀座越研磨，密封效果越好。盘阀开关时剪碎通过阀门的固体介质，也可以将可能堆积的物料从密封面上刮削干净[7-9]。

阀瓣、阀座采用硬面材料，具备优秀的耐磨性能；其阀体结构简单，设置有弹簧补偿结构，也适用于高温工况[1]。

图2 阀盘运动过程中的自转

盘阀的自研磨特性是由其结构设计决定的，动作瞬间，密封面上的摩擦力不平衡，使得阀盘旋转，每次动作即旋转一个角度，周而复始使得密封面的各部位研磨均匀，保证长期使用的密封效果。

在操作方面，盘阀开启过程中，物料直接向下排出，不至于在阀腔中堆积，因而不会像此类工况上用的球阀一样经常因介质堵塞阀腔而卡死，能够保证长期的操作性能[7-10]。

此外，为应对工况问题，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。在制造环节，应严格控制密封面加工精度，保证阀盘、阀座密封面较高的配合度，使得密封效果良好、摩擦力小[3]。

2 工况参数

工况基本参数如下：

公称通径 DN350

公称压力 CLASS600

介质 灰渣、合成气

使用温度 450 ℃

设计温度 500 ℃

阀门动作频率 6次/h

行程时间 ≤10 s

泄漏量 CLASS V

操作方式 气动

使用寿命 ≥一年(≥50 000次)

3 阀门设计

3.1 结构设计

该工况盘阀在使用中的问题主要有：主密封密封面磨损严重；阀杆组件与阀座内孔配合处磨损严重；行程不到位[5-6,8]。结合其耐磨、耐腐蚀、防卡死等要求，从设计端对阀门的使用性能进行针对性设计和调控，确定了该盘阀的设计形式。

采取的措施有：(1)设计了宽大的密封面，使得阀门在较低的预紧密封比压下即能实现密封，同时，盘阀在密封性能合格的情况下，磨损较少；(2)为改善其阀盘阀座密封面的耐磨性能，选用Ni-Cr3C2，其具有相对更高的硬度和高温使用性能，而不使用已知盘阀采用的Ni60/Ni55材质密封副，改善了其耐磨性能；(3)针对在阀杆组件与阀盘内孔的配合处存在磨损的情况，在易磨损的零件表面堆焊钴基硬质合金，改善其耐磨损性能，保证长期使用寿命；(4)选用较大的气缸、较长的力臂提供足够的驱动转矩，保证可靠的操作性能；(5)操作行程方面，采用可调节行程设计，盘阀的开启位置和关闭位置，均增设足够的行程余量。

除以上外，本工况盘阀设计结构特点为：高温气动盘阀，设计为两组密封副、每组密封副由一个阀盘、一个阀座组成的盘阀；阀盘为碟簧加载式浮动阀盘；阀座为固定阀座，阀座与阀体之间采用柔性石墨垫片作为密封元件；操作方式为气动，选用双作用式气缸。

盘阀总装结构图如图3所示。

图3 盘阀总装结构图

3.2 材质选择

因该工况温度高，存在少量腐蚀，因此在选材方面主要考虑符合该工况温度使用要求的材料。各零件选材如下：

阀体：F316H

阀杆：XM-19+STL6

阀盘：660+Ni-Cr3C2

阀座：F316H+Ni-Cr3C2

碟簧：Incoloy X750

螺栓：25Cr2Mo1VA

螺母：25Cr2Mo1VA

3.3 设计计算

3.3.1 基本设计

盘阀的基本设计，主要包括壳体最小壁厚、最小通径，以及安装和连接特征。盘阀的最小通道直径保证了其流通性能，按《GB/T 12224—2015钢制阀门 一般要求》，取350 mm；盘阀的壳体形成了介质压力的边界，保证了产品的基本安全性能，其最小壁厚，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，确定该DN350 CLASS600盘阀的最小壁厚为35 mm。

连接端为法兰端，按《HG/T 20615—2009钢制管法兰》。结构长度，按《GB/T 12221—2014钢制阀门 结构长度》，长度为889 mm。

3.3.2 密封设计

密封设计应满足密封条件。密封部位包含主密封、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，即盘阀的阀盘和阀座在关闭位时形成的密封的计算。

q=N/AMH

(1)

qmin≤q≤[q]

(2)

N—密封面上的法向力，N；

AMH—密封面的环带面积，mm2；

qmin—必需密封比压，MPa；

[q]—密封面材料的许用比压，MPa。

FMZ=FMY+FMJ

(3)

(4)

(5)

(6)

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—介质经阀盘压在下游阀座密封面上的力，N；

DMW—阀座密封面外径，mm；

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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；

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；

bM—密封面密度，mm。

3.3.3 驱动设计

盘阀的驱动设计，主要考虑所选用气动驱动装置的输出转矩，应大于阀门启闭动作时的摩擦转矩，并考虑一定的安全裕量。

对盘阀，其摩擦转矩的组成部分有：阀盘/阀座密封面的摩擦转矩、阀杆与填料的摩擦转矩、阀杆与轴承之间的摩擦转矩等。各项转矩的计算不做展开。

M=MMF+MTL+MZT

(7)

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。

按计算摩擦转矩的2倍安全系数，选择气动驱动装置，型式为活塞式双作用气动执行器。

4 密封副的表面涂层及加工

盘阀的密封副指阀盘和阀座，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。

阀盘及阀座密封面的耐磨材料和工艺是高温耐磨盘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的适用性[2-3]。

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[3]，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，高温硬密封阀门已基本不采用[3]。

根据工况的腐蚀性及加工工艺性能，选择阀盘、阀座的密封面涂层材质为Ni-Cr3C2，喷涂方法为热喷涂。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。

盘阀的密封副指阀盘和阀座，其加工步骤为车-硬化-磨-配研。其中提高加工的精度的要点是在保证零件位置度的条件下，将密封副加工到≤Ra0.4公差要求范围内，再进行配研，如图4所示。

图4 加工完成的阀盘

配研后，应检测阀盘、阀座的加工结果，通常的检测方法有：三坐标检测、煤油渗透性检测等，如图5所示。

图5 用煤油检测阀盘/阀座密封面密封性

5 试验验证

盘阀装配完成后，按照试验《GB/T 26480—2011阀门的检验和试验》进行出厂性能试验，试验结果表明，该盘阀的各项性能，如密封性能、操作性能，均良好。目前，该产品已通过了权威机构组织的型式试验鉴定。

图6 调试完成的煤化工锁渣系统高温耐磨盘阀

6 结论

本文叙述了煤化工锁渣系统高温耐磨盘阀设计的思路、方法，并结合工况，进行了设计、生产实践，经过样机试制后表明，产品性能良好。在解决用户工况实际问题的同时，为同类型工况上阀门的选用和设计提供了参考和借鉴。