煤直接液化減壓塔進料球閥失效分析及修復

龍云飛　龔寶龍

（中核蘇閥科技實業(yè)股份有限公司)

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煤直接液化減壓塔進料球閥失效分析及修復

龍云飛*龔寶龍

（中核蘇閥科技實業(yè)股份有限公司)

介紹了煤直接液化工藝流程及其特點。根據(jù)減壓塔進料球閥的工作參數(shù)和功能作用，比照其失效形貌，分析了該球閥發(fā)生磨損失效的原因，制定了相應(yīng)的拆解和修復方案。對修復后的球閥進行檢查和試驗，以滿足標準規(guī)范的要求。最后對該球閥的優(yōu)化運行給出了建議。

煤直接液化球閥失效分析修復磨損表面硬化減壓塔

0　引言

煤化工是煤經(jīng)化學反應(yīng)加工成為氣體、液體、固體的燃料和化學品的過程，是煤炭高效清潔利用的重要途徑。煤直接液化作為煤化工的典型代表，在國內(nèi)外已相繼建成了多套裝置，其中包括我國神華集團開發(fā)的工業(yè)化示范裝置。神華集團的示范裝置工況苛刻，每年都會停工檢修，其中耐磨閥門作為重點設(shè)備被列入檢修計劃。在石化、火電、核電、深海等領(lǐng)域關(guān)于閥門檢修的報道已有很多[1-4]，然而在煤化工行業(yè)關(guān)于閥門檢修的報道很少。本文針對煤直接液化示范工程中減壓塔進料球閥的使用現(xiàn)狀進行了討論。對進料球閥的結(jié)構(gòu)特征和失效原因進行了分析，并在此基礎(chǔ)上提出了進料球閥修復方案。此外，還對檢修過程中暴露出的問題提出了改進措施。

1　煤液化減壓塔進料球閥簡介

1.1閥門位置及作用

煤直接液化工藝流程主要分為三個工段：煤漿制備工段、反應(yīng)工段、分餾工段。其工藝流程圖如圖1所示。油煤漿和氫氣混合后經(jīng)加熱爐進入液化反應(yīng)器。經(jīng)過反應(yīng)后物料從反應(yīng)器流出，然后再經(jīng)一系列分離器進行氣液分離。分離出的含固液相物料進入常壓塔進行蒸餾。常壓塔底部設(shè)有循環(huán)泵，通過循環(huán)泵將物料送入減壓塔以進行進一步蒸餾，并進行油品回收。其余的未反應(yīng)物及殘渣由減壓塔塔底排出[5-6]。

圖1　煤直接液化工藝流程

常壓塔管線上有許多調(diào)節(jié)閥，可以調(diào)節(jié)常壓塔底泵與減壓塔之間的壓差。本文所分析的減壓塔進料球閥位于減壓塔入口處。當上游的調(diào)節(jié)閥失效，不能調(diào)節(jié)介質(zhì)壓力和流量時，該進料球閥起到切斷介質(zhì)的作用，以保護減壓塔不受上游介質(zhì)高速沖蝕的影響。

1.2閥門結(jié)構(gòu)及材料

該進料球閥為三片式浮動球結(jié)構(gòu)，閥門為整體鍛造結(jié)構(gòu)。該球閥的結(jié)構(gòu)如圖2所示。球閥的公稱通徑為：入口端DN350、出口端DN700，公稱壓力PN5，設(shè)計溫度為425℃，球體直徑為890 mm。球閥主要由以下幾部分組成：左閥體、左閥座、中法蘭墊片、主閥體、球體、球體襯套、右閥體、中法蘭螺栓、螺母、碟簧、右閥座、閥桿墊片、閥桿、填料、壓套、壓板等。主體材料為ASTM A182 F9，閥座材料為Inconel718，球體襯套材料為Inconel718。球體表面進行火焰重熔碳化鉻，整個流道區(qū)域覆蓋鎳基碳化鎢涂層，以作為磨損保護層。

圖2　球閥結(jié)構(gòu)

2　球閥失效部件及失效原因

2014年，減壓塔進料球閥全面檢修時發(fā)現(xiàn)出口端閥座、球體入口側(cè)、入口端閥體存在較大面積的材料缺損。之后，對材料缺失部位進行了焊補修復。2015年檢修期間，對該球閥進行拆解，仍然發(fā)現(xiàn)在同樣區(qū)域內(nèi)發(fā)生了材料脫落缺失的情況，見圖3、圖4和圖5。

圖3　出口端閥座磨損

圖4　球體入口側(cè)磨損失效

由于常壓塔塔底介質(zhì)溫度較高，該段的工作壓力等于或略低于液體的飽和蒸汽壓。當介質(zhì)流經(jīng)調(diào)節(jié)閥時，介質(zhì)壓力迅速降低至飽和蒸汽壓以下，發(fā)生閃蒸現(xiàn)象。閃蒸作用使得介質(zhì)中氣體含量所占比例急劇上升，且以較高的速度流向調(diào)節(jié)閥的下游。高速的閃蒸流攜帶著約5%～12%的固體顆粒，對與其連接的減壓進料球閥造成了嚴重的沖蝕磨損。

圖5　入口端閥體內(nèi)流道局部失效

3　球閥的修復和檢驗

3.1修復工藝的確定

通過對球閥缺陷部位形狀及尺寸的分析，確定采用氬弧焊+手工電弧焊+激光熔覆的方法進行修復。對零件缺陷部位進行清理，去除缺陷部位雜質(zhì)直至露出金屬本體，經(jīng)PT檢測合格，確保表面無裂紋。用氬弧焊進行打底，手工電弧焊進行填充，補焊層的材料硬度小于40 HRC。將缺陷部位補焊填充至距初始輪廓面約1 mm的位置。對補焊層進行打磨和PT檢測，確保表面無裂紋。在此基礎(chǔ)上采用激光熔覆技術(shù)進行表面硬化處理，硬化材料為鎳基碳化鎢。熔覆完成之后，對球體與出口端閥座、出口端閥座與出口端閥體之間的密封副進行研磨和配研。在打磨清理本體缺陷時，打磨區(qū)域和未打磨區(qū)域之間的連接處需進行圓弧倒角，以降低補焊時產(chǎn)生應(yīng)力集中的可能性。填充時需按標準嚴格控制電流的大小及焊槍運動速度，以避免零件過熱產(chǎn)生變形[7]。

3.2表面硬化工藝要點

激光運動軌跡與送粉噴嘴方向垂直，熔覆軌跡為W形。相鄰兩道搭接處最易出現(xiàn)裂紋，熔覆時需控制搭接量，快速更換工作位，減少前一道次的冷卻時間。修復區(qū)域的棱沿是應(yīng)力集中區(qū)，且熱量不易擴散，碳化鎢涂層在這些幾何特征區(qū)域容易過熱，造成碳化鎢分解形成裂紋。對棱沿區(qū)域單獨進行熔覆，控制激光輸入功率，避免產(chǎn)生裂紋。修復過程示意見圖6。

圖6　修復過程

對零件進行預熱，當零件預熱至300℃左右時進行激光熔覆。熔覆完成后進行保溫緩冷，以降低硬化層的開裂傾向。修復完成的零件如圖7、圖8所示。

圖7　出口端閥座修復

圖8　球體和入口端閥體修復

3.3檢查和試驗

采用與基體相同的材料制作試件，保持粉末配比以及工藝參數(shù)相同，對試件進行激光熔覆。對激光熔覆后的試件進行剖切，運用掃描電子顯微鏡（SEM）對熔覆層和基體的截面進行觀測。由圖9可知，硬質(zhì)WC顆粒均勻彌散在整個熔覆層中，基材與熔覆層結(jié)合處有明顯的熔合界線，說明該試驗中基材與熔覆層呈冶金結(jié)合狀態(tài)。對熔覆層表面顯微硬度進行測試，發(fā)現(xiàn)熔覆層的平均硬度達62 HRC以上。

球閥修復完成之后，按照相關(guān)標準對球閥進行清洗、組裝和試驗。根據(jù)API 598標準[8]進行殼體試驗，未發(fā)現(xiàn)殼體異常變形情況；進行水壓密封試驗，球閥的泄漏率在標準允許的范圍內(nèi)。球閥水壓試驗完成之后進行5次開關(guān)試驗，驗證閥門的抗卡阻性能，并在出廠前完成球閥執(zhí)行機構(gòu)開關(guān)位置指示調(diào)試，確保閥門能夠開關(guān)到位。

圖9　激光熔覆層SEM圖

4　預防及優(yōu)化改進

加強工藝管理，嚴格把握操作參數(shù)，維持常壓塔出料和減壓塔進料的穩(wěn)定，避免介質(zhì)發(fā)生較大的壓力波動，以降低對減壓塔進料球閥的沖擊。運行過程中，應(yīng)加強巡檢。發(fā)現(xiàn)執(zhí)行機構(gòu)啟閉不到位時，應(yīng)及時調(diào)整處理，以防止啟閉不到位而造成的介質(zhì)對密封副間隙的沖蝕磨損。在成本可接受的范圍內(nèi)，繼續(xù)對閥門基體材質(zhì)進行升級，提高硬化層的性能，并對內(nèi)件結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，以延長球閥的使用壽命和檢修周期。

5　結(jié)論

本文結(jié)合實際運行及歷年檢修的情況，對煤液化減壓塔進料球閥磨損失效原因進行分析。通過補焊的方法對基材的缺損部位進行填充，采用激光熔覆工藝進行表面硬化處理。檢修后的球閥順利通過殼體和密封試驗，執(zhí)行機構(gòu)啟閉位置調(diào)試精確，各項性能良好，達到了預定的檢修要求，為其長周期運行提供了保障。減壓塔進料球閥的檢修過程為煤液化耐磨球閥的設(shè)計選型、表面硬化及修復方法提供了有益的參考。

[1]成雷．殼牌煤氣化裝置中煤粉輸送系統(tǒng)特種閥的故障分析及其國產(chǎn)化進展 [J]．流體機械，2010，38(8)：57-59．

[2]孔勁松，余刃，孟開．三廢處理設(shè)施中閥門故障原因分析及對策 [J]．核動力工程，2013，34(4)：147-148．

[3]Bagherifard S，Pariente IFernández，Guagliano M．Failure analysis of a large ball valve for pipe-lines[J]．Engineering Failure Analysis，2013，32：167-177．

[4]Márquez A,Pino A Ibarra，Bona J De．Failure analysis of a let-down valve at a petrochemical plant[J]. Engineering Failure Analysis，2009，16：1894-1902．

[5]龔寶龍．煤液化高溫調(diào)節(jié)閥流動磨損預測及校核研究[D]．杭州：浙江理工大學，2014．

[6]高晉生，張德祥．煤液化技術(shù) [M]．北京：化學工業(yè)出版社，2005．

[7]ASMEⅨ:2010，Qualification Standard for Welding and Brazing Procedures，Welders，Brazers，and Welding and Brazing Operators［S］．

[8]API 598-2009,Valve Inspection and Testing［S］．

Failure Analysis and Repair of Feedstock Ball Valve in Direct Coal Liquefaction Vacuum Tower

Long Yunfei Gong Baolong

The technological process and characteristics of the direct coal liquefaction are introduced.In consideration of the working parameters and functions as well as the failure morphology of the feedstock ball valve in the vacuum tower,the reason of the wear failure is analyzed and the corresponding disassembly and repair scheme are proposed.Then the examinations and tests are performed to meet the requirements of the standards.At last,the advices on the optimal operation are given.

Direct coal liquefaction；Ball valve；Failure analysis；Repair；Wear；Surface hardening；Vacuum tower

TQ 050.7DOI：10.16759/j.cnki.issn.1007-7251.2016.06.018

2015-09-25）

*龍云飛，男，1972年生，高級工程師。蘇州市，215129。