煤化工裝置黑水角閥失效分析

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摘要：黑水角閥是現(xiàn)代煤化工裝置中工況較為惡劣的關鍵閥門之一。針對黑水角閥使用過程中常見失效形式，分析了閥門失效機理，并從材料、流道結構及工藝流程等3個方面歸納總結了黑水角閥的改進技術現(xiàn)狀。經(jīng)過分析與總結，討論了目前研究與改進的不足之處：缺乏對介質中固體顆粒特性影響規(guī)律的試驗研究、未綜合考慮經(jīng)濟成本因素等，并指出了未來的研究與改進方向。

關鍵詞：煤化工；黑水角閥；失效分析；含固多相流；磨蝕

我國的能源結構決定了在未來相當長的一段時間內，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的發(fā)展方向。煤氣化技術作為現(xiàn)代新型煤化工工藝的核心技術［1］，是煤炭清潔利用技術的首選。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，同時分離出固態(tài)顆粒和溶解于水中的氣體，實現(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的流動控制，而黑水角閥主要是將來自于氣化爐及洗滌塔的含固黑水，減壓調節(jié)后送入閃蒸罐內，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常苛刻，需面向高溫、高壓差、腐蝕、含固多相流等介質環(huán)境，是煤氣化裝置中不可或缺的關鍵設備。針對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理、研究并改進材料與結構，提高其有效使用壽命，是業(yè)內技術人員關注并研究的重點。

1失效形式及機理

為保證含固多相流介質流動順暢無阻塞，黑水角閥普遍采用了角式自潔閥腔設計，其典型結構如圖1所示。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）閥芯沖損嚴重；（2）閥座沖損嚴重；（3）下游法蘭沖損嚴重；（4）閥桿沖蝕嚴重；（5）閥芯掉落；（6）閥桿卡澀；（7）氣動執(zhí)行器串氣等。其中閥芯、閥座沖蝕嚴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，且已通過技術改造予以徹底解決。1.2失效機理分析。通過對煤氣化裝置黑水閃蒸系統(tǒng)的應用工況分析，黑水角閥失效風險因素主要體現(xiàn)在腐蝕破壞、高速沖蝕、汽蝕破壞等方面。其中針對腐蝕破壞，由于工藝設計之初就已考慮到介質的腐蝕性，在閥門設計選材時，就已要求閥門的材質選擇應考慮對抗介質的腐蝕特性，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。而關于黑水角閥是否存在汽蝕破壞，尚存爭議。曹輝等［4］、楊國來等［5］通過CFD仿真研究，判斷黑水角閥內部發(fā)生了汽蝕破壞，并初步推測了大體發(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，認為黑水角閥內部僅發(fā)生閃蒸現(xiàn)象，并不會發(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理是介質節(jié)流及閃蒸過程中固體顆粒的高速沖蝕磨損引起的閥芯、閥座等關鍵部件損壞失效，并給出了相應的損壞最為嚴重的位置，且模擬結果與實際的失效部位能夠相互印證。

2黑水角閥改進研究

針對黑水角閥的高速沖蝕磨損問題，可以通過以下3個方面來進行技術改進研究。2.1角閥內件耐磨材料改進研究。根據(jù)前述的失效機理分析，選用更加耐磨耐沖蝕材料無疑是對抗高速沖蝕失效最為直接的手段。黑水角閥由于介質還有固體顆粒且具有腐蝕性，所以閥體一般選用超級雙相不銹鋼材質，其內流道可選做硬化處理。內件材質則大體可分為兩類，即基材加硬化層處理和實體硬質材料。前者一般是普通不銹鋼做基材，應用各種涂層工藝在表面增加硬化層來提升耐磨性。如楊國來等［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，沉積獲得高質量的CVD金剛石涂層，來對抗高速沖蝕失效；王志堅等［11］則針對閥芯采用TiN涂層工藝，而閥座和孔板使用PDC復合片作為耐磨材料，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，以增強其表面抗磨損及腐蝕性能。經(jīng)涂層工藝處理的材質可以在黑水角閥的使用前期達到較好的耐磨效果，可一旦耐磨層被磨蝕掉之后，由于基材耐磨性差，內件在極短的時間內就會被磨蝕掉，進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合金或陶瓷材料直接制作閥芯閥座等。目前普遍使用的內件材質都是實體碳化鎢。實體碳化鎢材質屬于硬質合金材質，特別是整體燒結的碳化鎢，其材料的致密度高，硬度可以高達HRA90，耐磨性能優(yōu)越。但是碳化鎢材質存在硬度高難加工，價格昂貴等問題。2.2內流道結構改進研究。在選擇高性能耐磨耐沖蝕材料之外，還可以通過對黑水角閥的內流道結構改進，改善介質流動狀態(tài)，改變固體顆粒的沖擊角度，降低介質流速等，進而延緩閥芯、閥座等關鍵部件的沖蝕磨損。2.2.1閥體流道結構改進。從結構角度上來講，黑水角閥的流道結構越呈流線型，則其越能避免流動磨蝕的影響。針對黑水角閥閥體流道結構改進的公開研究偏少，僅王永洲等［14］通過對研究不同閥體曲率半徑對閥內總壓分布、流體流向等參數(shù)的影響，選擇得到合適的曲率半徑R=150mm，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］也提出相類似的設計建議，要求按角式流線型設計閥體內部流道，過渡處盡可能采用大圓弧設計，以避免介質沖擊或擾動。國外某廠采用長彎頸閥體結構（見圖2），以獲得較好的閥內流動狀態(tài)，避免介質中的固體顆粒對閥內件直接沖擊，延長其使用壽命。（a）結構1（b）結構2圖2黑水角閥的2種閥體結構示意2.2.2內件結構改進。針對閥芯、閥座等內件結構，國內現(xiàn)有改進研究主要體現(xiàn)在3個方向：（1）增加節(jié)流級數(shù)減緩流速；（2）增加可磨蝕材料量；（3）改變過流面積形狀。增加閥內件的節(jié)流級數(shù)是應對高壓差介質調節(jié)的常用手段，可通過分級減壓來達到減緩流速的目的。如何慶偉［8］通過對2種兩級減壓結構的模擬分析，得出可采用如圖3（a）所示的兩級減壓結構，可大幅降低了介質的流動速度，增強抵抗介質流動沖刷、沖蝕能力，延長閥門的使用壽命。干瑞彬［13］也是采用兩級減壓方案，對2種閥芯、閥座的兩級節(jié)流進行了結構設計及數(shù)值模擬，通過分析對比提出應采用如圖3（b）所示的結構。王新昶等［15］在閥門中增加了壓套結構設計，且在角閥的下游出口處增加設置一孔板，通過分級降壓的作用，改善角閥內的壓力分布狀態(tài)和流場狀態(tài)，緩解流體對于閥芯閥座等關鍵部件的沖蝕磨損，延長閥門的使用壽命。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方案，其結構如圖3（c）所示，其閥芯頭部結構為紡錘體形狀，閥座下游流道變?yōu)閿U散管結構，將沖蝕嚴重區(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)場應用證明，改造后閥芯的使用壽命延長近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計，其結構如圖3（d）所示，并認為該設計可提高閥芯的穩(wěn)定性，避免流致振動的影響。但需要指出的是，其斜劈式設計是與增加壓套、下游孔板等結構結合一起進行分析研究的，所以還需單獨界定一下斜劈式閥芯結構的效用。前述研究主要是針對閥芯閥座等內件結構進行的，而為了應對下游法蘭沖損嚴重問題，普遍采用將閥座下游設置為整體喇叭口的擴散管段［2，6，16-17］，且提出宜選取5°的擴散管角度，可以較大程度地避免下游高速沖蝕破壞。2.3工藝流程的改進。實際上材料、設備等都是依據(jù)工藝工況來進行選型設計制造，并最終服務于工藝，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。針對工藝操作條件及維護管理方面［2］，主要應從以下幾點內容入手：（1）在氣化原料環(huán)節(jié)，應選擇低灰分原料煤。當煤的灰分含量高，會相應造成黑水中灰渣顆粒含量增加，加劇了對黑水角閥內件的沖刷磨蝕。（2）維持氣化系統(tǒng)穩(wěn)定運行，杜絕工藝調整大幅波動，減少氣化爐開停車次數(shù)。氣化爐開停車容易對黑水管線形成強烈振蕩和沖擊，并且會引起閥門頻繁調節(jié)，加劇黑水角閥的劣化失效。（3）在開停車時，應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，就是對原工藝管線設置進行改造。鄭智劍等［16］提出對閥門上游的連接管路進行改造，在兩只高壓黑水角閥中間增加三通閥，使黑水介質只通過其中一路高壓黑水角閥，并可實現(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個減壓閥串聯(lián)安裝進行分級減壓，使得2個減壓閥減壓過程中均可避免或減輕空化現(xiàn)象。通過嚴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閥門設備的損壞。而通過改造閥門管線來降低黑水角閥應用工況的苛刻程度，這是從工藝根本上來解決存在的問題，但應考慮改造投資成本，研究改造對工藝的影響，進行綜合優(yōu)勢評價。

3結語

黑水角閥是多種煤化工工藝裝置中不可或缺的關鍵設備，廣泛應用于黑水閃蒸系統(tǒng)的工藝管線中，其使用中存在問題也是共性問題，針對工程實際問題進行全面而深入的研究，解決煤化工工藝中含固多相流動磨蝕問題，將極大地推動煤化工裝置中關鍵閥門設備的技術進步。針對黑水角閥的失效分析研究，主要集中于閥內流場特性研究，且主要以計算機軟件模擬的研究方法為主，得出的結論再與工程實際情況驗證，具有一定的理論指導性。但是，尚缺乏針對多相流動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中的表征特性對黑水角閥流動磨蝕的影響規(guī)律，設計并應用試驗方法研究其內在的失效行為與機理。針對黑水角閥的改進研究，前述總結的3個方面的改進，已在工程實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，還需要進一步地分析其失效機理，并在此基礎之上進行材料、結構以及經(jīng)濟成本等多因素綜合改進研究。針對閥體而言，由于超級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的碳鋼材質為基材，流道內壁采用噴涂或噴焊或其它工藝進行防腐硬化處理，降低成本。針對閥內流動結構，建議應以閥體流道結構為基礎，分析不同閥體流道結構的影響規(guī)律，并從改變介質中固體顆粒沖擊角度、增加介質對沖消耗等方面進行深入研究，探索并研發(fā)一些新型內件結構。

作者:陳鳳官 王渭 明友 耿圣陶 余宏兵 葉曉節(jié) 單位:合肥通用機械研究院有限公司