水煤浆气化工艺国外称作德士古煤气化工艺 (TCGP) , 至今已有50多年历史。1984年美国德士古石油公司受重油气化的启发, 首先创造了水煤浆气化工艺。金陵水煤浆气化装置2005年9月建成投产。
煤化工特殊工况决定了煤化工行业阀门控制介质具有如下特点:
(1) 反应温度1400℃, 介质温度高, 输送温度为200~500℃;
(2) 介质固体颗粒硬度高, 大部分在HRC60左右;
(3) 压差大, 最高可达19MPa;
(4) 煤含有硫, 腐蚀性强;
(5) 固、液、气三相流同时存在。
一般的金属不能够同时满足耐冲刷、耐高温、耐腐蚀的要求。碳化钨、陶瓷等虽然有很高的硬度, 但强度不够, 在控制阀应用中经常会被震裂而破坏。奥氏体不锈钢渗硼的渗层有效厚度目前大部分只能做到10μm以下。因此, 耐磨涂层的研究对于煤化工阀来说是一个比较实用可行的方法。
阀内件的球面密封副是该阀门的核心部位, 要从结构设计、耐磨材料、喷涂工艺和球面磨削配研上解决这些技术关键。球面一般要在304、316基体上采用超音速喷涂镍基碳化钨 (Ni-WC) , 以提高密封面的结合强度 (≥70MPa) 、低的空隙率 (3~5%) , 表面硬度达到HV≥832 (HRC≥65) 。其喷涂粉料可选用德国斯达克、美国普勒克斯或日本富基米的进口产品。阀座主密封是在304、316的基体上采用热熔喷涂镍基合金 (Ni55、Ni60) , 表面硬度达到HRC55~60。球体密封面要经过粗磨, 然后用碗型金钢石沙轮或镶有金钢石沙条的磨盘精磨, 最后再进行阀座和球面的单个对研, 使球体的正圆度达到0.01~0.02㎜, 球面的表面粗糙度达到0.4, 以此来保证阀门密封付的吻合度, 实现密封零泄漏的要求。
9 月28 日06:00, 金陵石化煤化工运行部操作人员发现锁渣阀KV8201B开关不到位, 上海大通新配的气缸 (18”) 动作过程中卡涩, 执行机构的滚轮破裂, 连接部分轴套碎裂, 轴球外漏, 疑被锁斗大力矩挤压所致。曲柄连接部分材质及力传递设计存在问题。9 月28 日12:00 开始更换此执行机构, 更换执行机构仍为上海大通新配的气缸 (18”) , 9月28日21:00完成气缸更换。9月29日8:00新更换的执行机构传动机构断裂, 经检查曲柄为铸件, 锁斗阀动力较大, 且力臂较长, 导致力矩更大。该执行机构与收渣阀连接轴套过盈安装, 轴套无法取出。这次停工影响了大部分炼油装置的负荷能力, 使得炼油能力受到严重影响。
比起执行机构的损伤更为严重的难题是阀球出现了磨损严重的现象。
停工检查时发现进口和国产的18 寸/600LB, 16 寸/600LB用于锁斗排渣管线的硬密封气动球阀, 解体后发现阀球表面硬质层有磨损剥落情况, 阀球、阀座密封面有磨损情况。维修方案的制定, 维修的具体实施, 维修后的检测试验是维修球阀本体的关键点。
9.29 日故障分析会开始。经分析产品质量存在问题。厂家在大气缸的力情况下未充分考虑机械连接部分的力传动导致严重的损坏。由于大通公司在锁渣阀方面的设计经验不足, 没有考虑到阀在运行过程中一旦被煤粉卡住, 导致阀体抱死时, 所需要的扭矩会急剧增大。执行机构的滚轮和曲臂均为受力零件, 在正常运行状态下, 生产商提供的执行机构可完全满足需求, 而当出现抱死状况时, 所需扭矩超过设计的额定扭矩。由于设计人员并没有考虑到极端情况, 主观上没有足够重视, 认为是常规的执行机构, 因此在零件设计、工艺处理等方面没有特别注意, 对金陵公司造成了很大的影响。
其实这已经不是第一次出现断裂这种情况, 锁斗阀由于力矩大, 阻力大, 高压差, 磨损强度高等综合因素的影响。使得锁斗阀机械部分经常性的出现断裂,
而阀球磨损问题锁渣阀阀球本体的损坏情况及原因:
⑴球体进出口密封处冲刷成缺口造成内漏: (1) 阀杆抱死, 球体和阀座关不到位, 介质泄漏冲刷。 (2) 球体和阀座密封面配合不到位, 介质局部泄漏冲刷。 (3) 球体局部涂层磨损, 硬度降低冲刷。
⑵阀座和球体进出口密封处冲刷的缺造成内漏。
⑶球体、阀座密封面喷涂合金层脱落造成内漏。
⑷球体密封面由于煤浆的长期腐蚀, 整个密封面有0.5mm-1mm的蚀点或者0.3mm-0.5mm的凹坑造成内漏。
⑸球体和阀座密封面拉伤造成内漏或阀门卡死不动作: (1) 由于煤浆中存在固体颗粒。 (2) 阀座设计不存在自清理机构, 密封面之间残留介质。 (3) 圆柱弹簧孔由于煤渣的进入, 圆柱弹簧失效, 阀座无法浮动。 (4) 阀座下面的蝶形弹簧在6.5MPA气化压力下断裂或失去弹性, 阀座无法浮动。
1 需解决的问题
1.1分析锁渣阀连接部分断裂的原因:对比扭矩计算书
1.2分析锁渣阀磨损的特点及攻克磨损技术难点:
高压高温环境下受煤渣冲刷磨损维修处理分析调节阀受环境, 工况, 介质等影响而导致的受冲刷磨损开裂内漏的原因。
2 采取的手段
2.1 提出锁渣阀连接部分断裂材质升级及制造工艺的改良方案
对于执行机构、传动部位重点要考虑力传输, 力矩计算书是重点之
(1) 执行机构关键受力零件如滚轮、滚轮轴、曲臂等零件, 必须进行强度校核, 并留有足够的安全系数, 以满足极限强度要求, 包括屈服、抗拉、疲劳等强度。
(2) 对关键零件的锻造材料进厂后作超声波检查 (UT) , 确保材料内部无裂纹。
(3) 对滚轮、曲臂等承压件表面经热处理后进行硬度检测并作表面渗透检查 (PT) , 以确保零件表面既有硬度, 又无裂纹。
2.2维修采取途径步骤
(1) 故障现象记录。
(2) 从工艺管道拆阀门待修。
(3) 解体之后的重点检查部位, 利用材料学技术对损坏故障处进行宏观及微观的综合分析。包括扭矩计算, 机械连接部分材质选择及设计
(4) 对气缸, 连接件, 阀芯, 阀座, 阀体等部位进行检查维修。举例如下:
执行机构:解体清洗, 更换执行机构弹簧、常规检查, 检查是否串气, 响应时间是否符合要求, 如有损坏, 进行更换或相应的修复。等离子喷涂。
(5) 阀门维修后效果试验。
(6) 检修后的质量验收标准。出验收报告。记录维修时间以便进行档案及保修统计。
金属硬密封球阀的主要技术难点:
A、球体及阀座表面的硬化技术问题;
B、球体的圆度及加工制造工艺问题;
C、高温工况下因为材料的膨胀而卡死的问题;
D、金属硬密封球阀的启闭扭矩问题;
E、固体硬颗粒介质的冲刷和磨损的问题;
F、用于高温工况及固体颗粒介质的密封结构设计问题;
G、零部件之间连接的问题。
2.3 在改进设计中着重考虑如下几个因素
2.3.1 阀门出现故障首先对其初步分析判断, 大致确定故障出在什么地方, 然后对其进行有针对性的维修。对阀体和内件进行强度刚度等方面的校对, 或是对阀门执行器的分析。通过阀门执行器输出扭矩计算和阀门扭矩选择合适执行机构, 设计合理连接部分。具体检查阀座密封面和球表面是否有划伤, 喷焊层是否脱裂, 阀杆表面是否有划伤, 中法兰密封面和阀体内流道是否冲刷。
2.3.2 对执行机构的设计选择, 主要是对一些关键受力零件的设计校核, 如执行机构拨叉, 推杆, 传动销和滚轮等重要零件的材质选择和强度设计。对连接件首先要考虑的就是强度, 因为大口径锁渣阀的应用工况比较苛刻, 所以对连接轴材质选择要求比较高, 强度必须满足。而且连接轴和阀杆之间也必须选择合适的配合方式。
2.3.3 对于阀体和阀内件的设计, 首先应考虑阀体密封性和材质满足工艺要求。阀门应设计为防固体颗粒结构含有粉末颗粒的环境通常是较恶劣的工况, 阀门的扭矩会成倍增加, 必须考虑阀杆的强度及扭矩, 防止负载过大, 阀杆扭曲变形造成阀门开关不到位。阀杆采用强度高的材料, 如2507双相不锈钢或17-4pH沉淀硬化型不锈钢。为使球芯表面喷焊层与基体结合, 硬度、强度达到特殊工况要求, 目前应用较多的工艺方法为重融热喷焊工艺。重融热喷焊工艺属于冶金结合, 涂层结合力强, 不易脱落。
2.3.4阀杆和球体之间连接位置间隙需控制好。
2.4对于阀球本体采取如下方式进行维修
原内件恢复修复:
2.4.1 球体重新喷涂硬质合金, 成分镍基合金 (Ni60) , 由维修公司的协作单位日本独资喷涂完成。热喷涂厚1.5mm, 加工完成后涂层厚度≥1mm, 处理后硬度HRC62-65。
2.4.2球体、阀座研磨。
(1) 球体粗磨
a实测球体不圆度, 针对性研磨将不圆度控制在≤0.05
b磨料粒度250-315μm, (60#) .
(2) 与阀座对研 (粗研)
a在工装上进行。
b要求:表面粗糙度0.4, 不圆度≤0.03。
c磨料粒度100-125μm, (240#)
(3) 与阀座对研 (细研)
a磨料粒度50-63μm, (800#)
b要求:不圆度控制在≤0.02
无压、静止、6min无泄漏
(4) 球体与阀座手工研磨
a磨料粒度15-25μm, (1200#)
b无压、静止、15min无泄漏
(5) 每道工序间彻底清洗。
2.4.3内件加工修复:
a损坏内件进行精确测绘, 根据测绘尺寸加工。
b内件材质将根据数据表要求选择。
c球体、阀座表面涂层材料, 根据数据表中实际工况要求, 选择合理的硬度。
d维修过程中, 记录所有选用内件的材质报告, 以便公司监督、监造。
3密封件材质选择
4阀门装配及试压
⑴测试符合API598密封要求, 泄漏量等级为VI级, 其余均为V级。
⑵全压差全行程开关顺畅。
5阀门清洗、油漆及包装。
6提供试压报告。
7 阀内件硬化处理简介
阀体的维修技术主要是对球芯、阀座做硬化处理, 使其硬度和强度都达到使用要求, 表面硬化工艺有很多, 曾经被应用的技术:
A、表面的镀硬铬;B、表面硬化热处理、渗氮处理等;C、堆焊Stillite硬质合金。
目前也出现了几种新型常见的典型煤化工表面处理工艺。对涂层及使用效果进行图片及数据分析。
7.1 等离子堆焊 (PTA)
PTA材料为司太立硬质合金, 基材一般为不锈钢, 碳钢, 硬度可达HRC40-45, 结合力较高, 具有堆焊层厚, 易加工硬度适中, 但是高温下硬度降低快。
7.2 热喷涂技术
热喷涂材料为Ni基-CrC, 基材一般为不锈钢, 镍基合金, 一般喷涂厚度约0.5-3mm, 硬度可达HRC55-64, 结合力大约70-80MPa结合强度高, 500℃仍保持较高硬度。
7.3 等离子喷涂 (APS) ni60
等离子喷涂材料为Ni基-CrC, 基材范围广, 一般喷涂厚度约0.5-3mm, 硬度可达HRC55-64, 结合力大约68-76MPa结合强度高, 500℃仍保持较高硬度。
7.4 超音速火焰喷涂 (HVOF) wc
HVOF材料为Ni基-CrC, Co基-Wc, 基材范围广, 一般喷涂厚度约0.2-0.4mm, 硬度可达HRC68-74, 结合力大约68-76MPa结合强度高, 耐腐蚀性能好。
8 试验检修效果。
对锁斗阀组装进行水压试验, 内漏试验6MPa, 强度试验8MPa, 满足强度要求和泄露等级要求。开关过程中不会出现卡涩现象。
摘要：煤化工锁渣阀是煤化工工业的核心技术环节。制约煤化工关键控制阀不能长周期运行的主要因素是阀门在煤化工恶劣而复杂的运行工况中与介质接触而产生的磨损问题。
关键词：煤化工,锁渣阀
参考文献
[1] 《材料学表面工程》.
[2] 《上海弘盛锁渣阀技术方案说明》.
[3] 《南京自控锁渣阀检修》.