煤化工裝置用黑水角閥失效分析及改進(jìn)技術(shù)進(jìn)展

陳鳳官，王 渭，明 友，耿圣陶，余宏兵，葉曉節(jié)

（合肥通用機(jī)械研究院有限公司，合肥 230031）

0 引言

我國(guó)的能源結(jié)構(gòu)決定了在未來相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，能源仍是以煤炭為主。而煤炭資源的清潔高效利用則是需要更加深化推進(jìn)的發(fā)展方向。煤氣化技術(shù)作為現(xiàn)代新型煤化工工藝的核心技術(shù)［1］，是煤炭清潔利用技術(shù)的首選。煤氣化工藝主要有水煤漿氣化工藝和干煤粉氣化工藝兩大類。

水煤漿氣化工藝和干煤粉氣化工藝除了氣化原料部分不同，后續(xù)工藝基本類似，均設(shè)置有黑水處理系統(tǒng)［2-3］。黑水處理系統(tǒng)主要是處理氣化爐以及合成氣初步凈化過程中產(chǎn)生的含固黑水，回收黑水中的部分熱能，同時(shí)分離出固態(tài)顆粒和溶解于水中的氣體，實(shí)現(xiàn)灰水的部分循環(huán)利用。

煤化工工藝中涉及到大量的含固多相流介質(zhì)的流動(dòng)控制，而黑水角閥主要是將來自于氣化爐及洗滌塔的含固黑水，減壓調(diào)節(jié)后送入閃蒸罐內(nèi)，以便于回收熱量和灰水再循環(huán)利用。黑水角閥的使用工況非?？量蹋杳嫦蚋邷?、高壓差、腐蝕、含固多相流等介質(zhì)環(huán)境，是煤氣化裝置中不可或缺的關(guān)鍵設(shè)備。針對(duì)黑水角閥的故障失效問題，分析其在苛刻工況條件下的失效行為與機(jī)理、研究并改進(jìn)材料與結(jié)構(gòu)，提高其有效使用壽命，是業(yè)內(nèi)技術(shù)人員關(guān)注并研究的重點(diǎn)。

1 失效形式及機(jī)理

為保證含固多相流介質(zhì)流動(dòng)順暢無阻塞，黑水角閥普遍采用了角式自潔閥腔設(shè)計(jì)，其典型結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 黑水角閥典型結(jié)構(gòu)示意

1.1 主要失效形式

煤化工裝置中，無論是干煤粉氣化工藝還是水煤漿氣化工藝，黑水角閥的失效形式普遍表現(xiàn)為：（1）閥芯沖損嚴(yán)重；（2）閥座沖損嚴(yán)重；（3）下游法蘭沖損嚴(yán)重；（4）閥桿沖蝕嚴(yán)重；（5）閥芯掉落；（6）閥桿卡澀；（7）氣動(dòng)執(zhí)行器串氣等。

其中閥芯、閥座沖蝕嚴(yán)重是最為主要的失效問題，其次是閥后下游法蘭沖損問題，其余失效問題發(fā)生的概率較小，且已通過技術(shù)改造予以徹底解決。

1.2 失效機(jī)理分析

通過對(duì)煤氣化裝置黑水閃蒸系統(tǒng)的應(yīng)用工況分析，黑水角閥失效風(fēng)險(xiǎn)因素主要體現(xiàn)在腐蝕破壞、高速?zèng)_蝕、汽蝕破壞等方面。其中針對(duì)腐蝕破壞，由于工藝設(shè)計(jì)之初就已考慮到介質(zhì)的腐蝕性，在閥門設(shè)計(jì)選材時(shí)，就已要求閥門的材質(zhì)選擇應(yīng)考慮對(duì)抗介質(zhì)的腐蝕特性，如選用耐蝕不銹鋼或工程陶瓷等材料或涂層來避免該類失效。

而關(guān)于黑水角閥是否存在汽蝕破壞，尚存爭(zhēng)議。曹輝等［4］、楊國(guó)來等［5］通過CFD 仿真研究，判斷黑水角閥內(nèi)部發(fā)生了汽蝕破壞，并初步推測(cè)了大體發(fā)生的位置；而顏震等［6］、陳志飛等［7］根據(jù)數(shù)值模擬分析，認(rèn)為黑水角閥內(nèi)部?jī)H發(fā)生閃蒸現(xiàn)象，并不會(huì)發(fā)生汽蝕破壞的情況。

大多數(shù)研究表明［6-9］，黑水角閥的主要失效機(jī)理是介質(zhì)節(jié)流及閃蒸過程中固體顆粒的高速?zèng)_蝕磨損引起的閥芯、閥座等關(guān)鍵部件損壞失效，并給出了相應(yīng)的損壞最為嚴(yán)重的位置，且模擬結(jié)果與實(shí)際的失效部位能夠相互印證。

2 黑水角閥改進(jìn)研究

針對(duì)黑水角閥的高速?zèng)_蝕磨損問題，可以通過以下3 個(gè)方面來進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)研究。

2.1 角閥內(nèi)件耐磨材料改進(jìn)研究

根據(jù)前述的失效機(jī)理分析，選用更加耐磨耐沖蝕材料無疑是對(duì)抗高速?zèng)_蝕失效最為直接的手段。黑水角閥由于介質(zhì)還有固體顆粒且具有腐蝕性，所以閥體一般選用超級(jí)雙相不銹鋼材質(zhì)，其內(nèi)流道可選做硬化處理。內(nèi)件材質(zhì)則大體可分為兩類，即基材加硬化層處理和實(shí)體硬質(zhì)材料。

前者一般是普通不銹鋼做基材，應(yīng)用各種涂層工藝在表面增加硬化層來提升耐磨性。如楊國(guó)來等［5］提出可以在黑水角閥的閥芯、閥座的節(jié)流口處堆焊或噴焊司太立合金，以此來提高節(jié)流口處的耐磨性能；王新昶等［10］在閥芯、閥座的受沖蝕表面，采用熱絲CVD 法，沉積獲得高質(zhì)量的CVD 金剛石涂層，來對(duì)抗高速?zèng)_蝕失效；王志堅(jiān)等［11］則針對(duì)閥芯采用TiN 涂層工藝，而閥座和孔板使用PDC 復(fù)合片作為耐磨材料，來獲得較好的耐磨耐沖蝕性能；別愷念等［12］、干瑞彬等［13］在閥芯表面噴涂Ni-WC，以增強(qiáng)其表面抗磨損及腐蝕性能。經(jīng)涂層工藝處理的材質(zhì)可以在黑水角閥的使用前期達(dá)到較好的耐磨效果，可一旦耐磨層被磨蝕掉之后，由于基材耐磨性差，內(nèi)件在極短的時(shí)間內(nèi)就會(huì)被磨蝕掉，進(jìn)而致使黑水角閥的性能劣化加速最終失效。

后者則主要是采用硬質(zhì)合金或陶瓷材料直接制作閥芯閥座等。目前普遍使用的內(nèi)件材質(zhì)都是實(shí)體碳化鎢。實(shí)體碳化鎢材質(zhì)屬于硬質(zhì)合金材質(zhì)，特別是整體燒結(jié)的碳化鎢，其材料的致密度高，硬度可以高達(dá)HRA90，耐磨性能優(yōu)越。但是碳化鎢材質(zhì)存在硬度高難加工，價(jià)格昂貴等問題。

2.2 內(nèi)流道結(jié)構(gòu)改進(jìn)研究

在選擇高性能耐磨耐沖蝕材料之外，還可以通過對(duì)黑水角閥的內(nèi)流道結(jié)構(gòu)改進(jìn)，改善介質(zhì)流動(dòng)狀態(tài)，改變固體顆粒的沖擊角度，降低介質(zhì)流速等，進(jìn)而延緩閥芯、閥座等關(guān)鍵部件的沖蝕磨損。

2.2.1 閥體流道結(jié)構(gòu)改進(jìn)

從結(jié)構(gòu)角度上來講，黑水角閥的流道結(jié)構(gòu)越呈流線型，則其越能避免流動(dòng)磨蝕的影響。針對(duì)黑水角閥閥體流道結(jié)構(gòu)改進(jìn)的公開研究偏少，僅王永洲等［14］通過對(duì)研究不同閥體曲率半徑對(duì)閥內(nèi)總壓分布、流體流向等參數(shù)的影響，選擇得到合適的曲率半徑R=150 mm，可以有效地避免由于邊界層分離產(chǎn)生的渦流，降低壓差阻力，增加了閥門的使用壽命。而曹輝等［4］也提出相類似的設(shè)計(jì)建議，要求按角式流線型設(shè)計(jì)閥體內(nèi)部流道，過渡處盡可能采用大圓弧設(shè)計(jì)，以避免介質(zhì)沖擊或擾動(dòng)。

國(guó)外某廠采用長(zhǎng)彎頸閥體結(jié)構(gòu)（見圖2），以獲得較好的閥內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)，避免介質(zhì)中的固體顆粒對(duì)閥內(nèi)件直接沖擊，延長(zhǎng)其使用壽命。

圖2 黑水角閥的2 種閥體結(jié)構(gòu)示意

2.2.2 內(nèi)件結(jié)構(gòu)改進(jìn)

針對(duì)閥芯、閥座等內(nèi)件結(jié)構(gòu)，國(guó)內(nèi)現(xiàn)有改進(jìn)研究主要體現(xiàn)在3 個(gè)方向：（1）增加節(jié)流級(jí)數(shù)減緩流速；（2）增加可磨蝕材料量；（3）改變過流面積形狀。

增加閥內(nèi)件的節(jié)流級(jí)數(shù)是應(yīng)對(duì)高壓差介質(zhì)調(diào)節(jié)的常用手段，可通過分級(jí)減壓來達(dá)到減緩流速的目的。如何慶偉［8］通過對(duì)2 種兩級(jí)減壓結(jié)構(gòu)的模擬分析，得出可采用如圖3（a）所示的兩級(jí)減壓結(jié)構(gòu)，可大幅降低了介質(zhì)的流動(dòng)速度，增強(qiáng)抵抗介質(zhì)流動(dòng)沖刷、沖蝕能力，延長(zhǎng)閥門的使用壽命。干瑞彬［13］也是采用兩級(jí)減壓方案，對(duì)2 種閥芯、閥座的兩級(jí)節(jié)流進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及數(shù)值模擬，通過分析對(duì)比提出應(yīng)采用如圖3（b）所示的結(jié)構(gòu)。王新昶等［15］在閥門中增加了壓套結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，且在角閥的下游出口處增加設(shè)置一孔板，通過分級(jí)降壓的作用，改善角閥內(nèi)的壓力分布狀態(tài)和流場(chǎng)狀態(tài)，緩解流體對(duì)于閥芯閥座等關(guān)鍵部件的沖蝕磨損，延長(zhǎng)閥門的使用壽命。

鑒于沖刷磨蝕情況不可避免，別愷念等［12］、鄭智劍等［16］采用了控制磨蝕區(qū)域并增加可磨蝕材料量的技術(shù)方案，其結(jié)構(gòu)如圖3（c）所示，其閥芯頭部結(jié)構(gòu)為紡錘體形狀，閥座下游流道變?yōu)閿U(kuò)散管結(jié)構(gòu)，將沖蝕嚴(yán)重區(qū)域控制在閥芯的下半部分，并采用增加閥芯可沖蝕材料量。且經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用證明，改造后閥芯的使用壽命延長(zhǎng)近1 倍，緩沖罐底部壁面的沖蝕磨損速率也顯著降低。

除上述兩類改進(jìn)方案外，王新昶等［15］還通過研究提出采用一種斜劈式閥芯設(shè)計(jì)，其結(jié)構(gòu)如圖3（d）所示，并認(rèn)為該設(shè)計(jì)可提高閥芯的穩(wěn)定性，避免流致振動(dòng)的影響。但需要指出的是，其斜劈式設(shè)計(jì)是與增加壓套、下游孔板等結(jié)構(gòu)結(jié)合一起進(jìn)行分析研究的，所以還需單獨(dú)界定一下斜劈式閥芯結(jié)構(gòu)的效用。

圖3 黑水角閥的幾種內(nèi)件結(jié)構(gòu)示意

前述研究主要是針對(duì)閥芯閥座等內(nèi)件結(jié)構(gòu)進(jìn)行的，而為了應(yīng)對(duì)下游法蘭沖損嚴(yán)重問題，普遍采用將閥座下游設(shè)置為整體喇叭口的擴(kuò)散管 段［2，6，16-17］，且提出宜選取5°的擴(kuò)散管角度，可以較大程度地避免下游高速?zèng)_蝕破壞。

2.3 工藝流程的改進(jìn)

實(shí)際上材料、設(shè)備等都是依據(jù)工藝工況來進(jìn)行選型設(shè)計(jì)制造，并最終服務(wù)于工藝，所以不妨考慮從工藝角度出發(fā)，來控制和改善黑水角閥的使用工況。

2.3.1 控制工藝操作及管理

針對(duì)工藝操作條件及維護(hù)管理方面［2］，主要應(yīng)從以下幾點(diǎn)內(nèi)容入手：

（1）在氣化原料環(huán)節(jié)，應(yīng)選擇低灰分原料煤。當(dāng)煤的灰分含量高，會(huì)相應(yīng)造成黑水中灰渣顆粒含量增加，加劇了對(duì)黑水角閥內(nèi)件的沖刷磨蝕。

（2）維持氣化系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，杜絕工藝調(diào)整大幅波動(dòng)，減少氣化爐開停車次數(shù)。氣化爐開停車容易對(duì)黑水管線形成強(qiáng)烈振蕩和沖擊，并且會(huì)引起閥門頻繁調(diào)節(jié)，加劇黑水角閥的劣化失效。

（3）在開停車時(shí)，應(yīng)盡可能使黑水角閥維持在較大開度，防止因開度過小造成閥前堵塞及因節(jié)流流速過大而磨損加速。

2.3.2 工藝管線的改造

改善黑水角閥使用工況的另一方案，就是對(duì)原工藝管線設(shè)置進(jìn)行改造。鄭智劍等［16］提出對(duì)閥門上游的連接管路進(jìn)行改造，在兩只高壓黑水角閥中間增加三通閥，使黑水介質(zhì)只通過其中一路高壓黑水角閥，并可實(shí)現(xiàn)兩路閥門的在線切換。改造后，通過高壓黑水角閥的介質(zhì)流量增加近1倍，閥門開度范圍增加至20%～30%，可較大程度地避免黑水角閥一直在小開度條件下工作。李偉正［18］提出采用2 個(gè)減壓閥串聯(lián)安裝進(jìn)行分級(jí)減壓，使得2 個(gè)減壓閥減壓過程中均可避免或減輕空化現(xiàn)象。

通過嚴(yán)格控制工藝操作條件，來減緩黑水角閥的失效，這無疑是非常困難的。工藝操作有諸多不可控因素，但是可以通過規(guī)范管理、規(guī)范操作、規(guī)范運(yùn)行等多角度來提升工廠管理水平，盡可能避免因工藝操作等因素造成對(duì)閥門設(shè)備的損壞。而通過改造閥門管線來降低黑水角閥應(yīng)用工況的苛刻程度，這是從工藝根本上來解決存在的問題，但應(yīng)考慮改造投資成本，研究改造對(duì)工藝的影響，進(jìn)行綜合優(yōu)勢(shì)評(píng)價(jià)。

3 結(jié)語

黑水角閥是多種煤化工工藝裝置中不可或缺的關(guān)鍵設(shè)備，廣泛應(yīng)用于黑水閃蒸系統(tǒng)的工藝管線中，其使用中存在問題也是共性問題，針對(duì)工程實(shí)際問題進(jìn)行全面而深入的研究，解決煤化工工藝中含固多相流動(dòng)磨蝕問題，將極大地推動(dòng)煤化工裝置中關(guān)鍵閥門設(shè)備的技術(shù)進(jìn)步。

針對(duì)黑水角閥的失效分析研究，主要集中于閥內(nèi)流場(chǎng)特性研究，且主要以計(jì)算機(jī)軟件模擬的研究方法為主，得出的結(jié)論再與工程實(shí)際情況驗(yàn)證，具有一定的理論指導(dǎo)性。但是，尚缺乏針對(duì)多相流動(dòng)磨蝕的固體顆粒煤粉或煤渣特性研究，建議深入研究煤化工工藝中固體顆粒的自身特性及其在流場(chǎng)中的表征特性對(duì)黑水角閥流動(dòng)磨蝕的影響規(guī)律，設(shè)計(jì)并應(yīng)用試驗(yàn)方法研究其內(nèi)在的失效行為與機(jī)理。

針對(duì)黑水角閥的改進(jìn)研究，前述總結(jié)的3 個(gè)方面的改進(jìn)，已在工程實(shí)際中取得了一定的效果。但是，黑水角閥的使用周期仍然偏短，還需要進(jìn)一步地分析其失效機(jī)理，并在此基礎(chǔ)之上進(jìn)行材料、結(jié)構(gòu)以及經(jīng)濟(jì)成本等多因素綜合改進(jìn)研究。針對(duì)閥體而言，由于超級(jí)雙相不銹鋼屬于高端合金鋼材，成本高，建議研究使用以廉價(jià)的碳鋼材質(zhì)為基材，流道內(nèi)壁采用噴涂或噴焊或其它工藝進(jìn)行防腐硬化處理，降低成本。針對(duì)閥內(nèi)流動(dòng)結(jié)構(gòu)，建議應(yīng)以閥體流道結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，分析不同閥體流道結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律，并從改變介質(zhì)中固體顆粒沖擊角度、增加介質(zhì)對(duì)沖消耗等方面進(jìn)行深入研究，探索并研發(fā)一些新型內(nèi)件結(jié)構(gòu)。