煤氣化充氣笛管密封失效原因及改進措施

王翠翠，李 剛，董領(lǐng)峰，盛小洋，劉高建

（過濾與分離技術(shù)國家地方聯(lián)合工程研究中心，西部寶德科技股份有限公司，陜西 西安 710201）

SHeLL、HT-L等干粉煤氣化工藝過程中均使用粉煤加壓工藝技術(shù)，采用粉煤鎖斗系統(tǒng)進行煤粉的輸送。在輸送中，通過煤粉鎖斗系統(tǒng)的進料—加壓—放料—泄壓一進料的往復(fù)循環(huán)過程，將干粉煤從常壓煤粉倉輸送到高壓給料倉—粉煤給料罐—氣化爐后燃燒。粉煤鎖斗系統(tǒng)通常設(shè)有充氣笛管，充氣笛管裝置經(jīng)常出現(xiàn)密封失效現(xiàn)象，導(dǎo)致罐體無法正常加壓，粉煤隨氣體倒灌進充壓氣體管線，造成輸送系統(tǒng)癱瘓、整體氣化裝置停車。因此，綜合地分析充氣笛管裝置密封失效的原因，并針對性的制定出改進措施，對提高煤氣化工藝中粉煤和灰粉輸送系統(tǒng)的長周期運行具有很大意義。

1 充氣笛管使用工況簡介

充氣笛管安裝在鎖斗設(shè)備錐部內(nèi)壁，根據(jù)鎖斗的安裝空間和進氣量的需求通常設(shè)置4組或6組，充氣笛管的功能一是要實現(xiàn)對鎖斗的充壓功能，在鎖斗進煤充壓階段，通過分布在笛管上的燒結(jié)金屬多孔圓片將氣體管線送來的氣體均勻送入罐內(nèi)，完成充壓，同時氣體在鎖斗罐內(nèi)形成煤粉松動，實現(xiàn)載氣對粉料的順利輸送；二是在充壓完成后的壓力調(diào)節(jié)階段，罐內(nèi)的含粉氣體通過充氣笛管形成紊流，使罐內(nèi)持續(xù)進入的煤管上的燒結(jié)金屬多孔圓片進行過濾，燒結(jié)金屬多孔圓片將煤粉攔截，過濾后的干凈氣體進入管道循環(huán)。由于充氣笛管的特殊作用，在工作時受到的是高壓到低壓的循環(huán)波動載荷，使用工況較為苛刻。

2 密封失效現(xiàn)狀及危害

充氣笛管若出現(xiàn)密封失效現(xiàn)象，管道中的高速氣體在密封失效泄露處會不斷沖刷，導(dǎo)致充氣笛管的總管三通、分管法蘭、連接螺栓等部件都出現(xiàn)不同程度的磨蝕，甚至高速氣流沖刷設(shè)備內(nèi)壁，設(shè)備壁厚不斷減薄，給設(shè)備帶來安全隱患。出現(xiàn)的密封失效造成充氣笛管部件磨損現(xiàn)象如下圖1所示。

圖1 充氣笛管部件磨蝕圖

充氣笛管的密封失效影響了系統(tǒng)正常運行，高壓氣體集中在密封失效處進入罐內(nèi)，無法輸送到布氣笛管上使煤粉/灰粉等物料形成流態(tài)化，物料出現(xiàn)架橋，而且鎖斗內(nèi)部煤粉會倒灌進進氣管道，堵塞管道，裝置被迫停產(chǎn)。

3 密封失效原因分析

根據(jù)充氣笛管在多個現(xiàn)場密封失效的不同情況，分析密封失效的原因主要有以下幾個方面。

3.1 充氣笛管結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理原因

充氣笛管的結(jié)構(gòu)設(shè)計主要分為三部分：一是氣體總管，其一端設(shè)計有兩個法蘭，帶頸對焊法蘭與系統(tǒng)的氣體管線連接，平板法蘭與鎖斗罐體管法蘭連接，另一端設(shè)計有三通結(jié)構(gòu)，在兩側(cè)開孔處加工出平面，作為與兩路氣體分管連接的密封面,中間放置密封平墊片；二是兩側(cè)氣體分管，通過雙頭螺栓連接在氣體總管上，分布安裝在鎖斗設(shè)備內(nèi)壁的上下部位，通過管夾與螺釘固定在錐段內(nèi)壁；三是均勻分布在氣體分管上的金屬燒結(jié)多孔圓片，使氣體均勻通入鎖斗錐段。具體結(jié)構(gòu)和充壓時的氣體流向如圖2所示。

圖2 充氣笛管結(jié)構(gòu)和充壓時的氣體流向圖

（1）充氣笛管與殼體、充氣笛管各部件之間的配合聯(lián)接之處較多，相互限制。氣體總管與鎖斗罐錐體的法蘭連接后，通過螺栓將上下兩個氣體分管固定在總管的三通上（圖3），通過放置在總管三通密封面處的平墊片密封，最后用管夾將笛管分管固定在輸送罐錐體部位（圖1）。

圖3 笛管氣體分管與總管安裝圖

（2）連接兩個分管法蘭的螺栓懸空段長L＞200mm，受力力矩大，容易松動脫落。

（3）密封面結(jié)構(gòu)設(shè)計為平面密封，對分管和總管安裝后的垂直度要求高，因制造公差累積或安裝原因達不到垂直度要求時，密封沒有辦法調(diào)整。同時該結(jié)構(gòu)的密封墊片在安裝過程中沒有限位密封槽很容易滑動。

圖4 管夾固定分管圖

3.2 制造公差原因

充氣笛管的氣體分管與總管的垂直度公差要求≤3mm，而壓力容器設(shè)計制造標(biāo)準(zhǔn)中對鎖斗罐（D=2600mm）的進氣接管法蘭與殼體的錐體垂直度允許公差偏大，罐體錐部由于上下段直徑不同，圓度公差也不同。以上兩處公差的制造偏差，在分管安裝后，分管與罐體錐段內(nèi)壁形成夾角，分管法蘭與總管三通間密封面會出現(xiàn)不同程度的間隙，分管法蘭無法夾緊密封墊片，從而高壓氣體在密封間隙處高速沖刷，最終出現(xiàn)密封失效。

3.3 安裝誤差原因

兩件笛管分管與總管安裝時相互制約影響，需要在用管夾固定好分管后，通過雙頭螺栓連接兩個分管法蘭，安裝時分管與總管間的平墊片可能出現(xiàn)偏移，也可能在安裝過程中破損，導(dǎo)致運行時密封失效。

3.4 運行時脈沖氣體震動的原因，導(dǎo)致密封失效

充氣笛管在運行中壓力在0.2MPag~5.6MPag波動，高壓氣體間歇輸送時會引起笛管分管的脈沖式震動，一方面可能會使連接兩個分管的螺栓產(chǎn)生松動；另一方面固定在罐體錐部的的管夾和螺釘可能會在脈沖氣體震動下，產(chǎn)生松動甚至脫落，隨后分管變形后密封失效（圖5）。

圖5 分管變形圖

4 密封失效改進措施

國內(nèi)目前已投產(chǎn)的大唐、寶豐等多家大型煤化工技術(shù)中，針對密封失效問題，采取了不同措施：安裝后，將分管法蘭與總管三通滿焊，并將螺母與分管法蘭點焊（圖6）；加大螺栓直徑來減小震動；取消分管法蘭，將分管插入總管三通孔后焊接（圖7）等。

圖7 分管插入總管三通直接焊接圖

雖然以上的措施可以有效地改善密封失效問題，但也給分管的更換工作增加了難度。由于分管上焊接的金屬燒結(jié)多孔圓片屬于微孔材料，運行中細小粉煤顆粒會進入燒結(jié)金屬圓片的微孔，多孔圓片透氣性能會下降，導(dǎo)致物料流態(tài)化減弱，同時笛管內(nèi)外部壓差增高，需要周期更換充氣笛管。在更換備件時都要將焊縫切割后再更換焊接，施工難度大、勞動強度高。

充氣笛管的密封失效問題，殼體和充氣笛管的垂直度公差不匹配是解決該問題的關(guān)鍵。西部寶德科技股份有限公司近年來進一步優(yōu)化改進了充氣笛管的結(jié)構(gòu)，充氣笛管的兩件分管不再相互制約，總管獨立與兩個氣體分管連接，安裝更方便；密封墊片采用金屬墊片、螺栓的受力力矩縮短，都有效避免了布氣笛管因鎖斗罐體制造公差及高壓氣體的脈沖式震動而導(dǎo)致的密封失效，保證了充氣笛管裝置的正常運行。安裝分管后，連接螺栓可以點焊，防止氣體震動時松動。該結(jié)構(gòu)已在投產(chǎn)的多個項目中應(yīng)用，運行效果良好。

5 結(jié)語

充氣笛管是目前干粉煤氣化工藝中粉煤加壓輸送重要的設(shè)備，目前國內(nèi)已開車運行上百條生產(chǎn)線，各現(xiàn)場運行中出現(xiàn)密封失效的現(xiàn)象較多，給設(shè)備帶來嚴(yán)重的隱患和危害，給企業(yè)造成一定的經(jīng)濟損失。改進后的安全運行經(jīng)驗，給新生產(chǎn)線的設(shè)計提供了優(yōu)化設(shè)計方案，同時在運行的生產(chǎn)線做長周期運行的技術(shù)改造時也可借鑒。