新型煤化工调节阀改进设计研究

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　　摘 要 阀门在煤化工生产作业中是极其关键的一种控制设备，其类型更是多种多样。为了延长煤化工恶劣生产环境下阀门的使用周期，本文结合现场阀门使用效果对硬密封球阀进行设计改造，从而达到提高阀门使用周期，降低维修费用的目的。
　　关键词 煤化工;硬密封球阀;优化设计
　　前言
　　硬密封球阀是组成煤化工生产工艺的重要内容，同时也是用于煤化工生产中的一种关键控制设备。煤化工装置中阀门的类型很多，其中较为常见的包括匣阀、截止阀、蝶阀和球阀等，这些阀门在煤化工生产中都要承受500℃的高温和30MPa的高压，为了适应煤化工生产恶劣的工况环境（如：燃烧、腐蚀、机械磨损等），煤化工阀门的核心装置都要采用具有较强耐高温性能和耐高压性能的密封球阀。
　　1 硬密封球阀优化设计概述
　　1.1 结构分析
　　在煤化工生产中，对球阀的要求主要为高性能、高密封性和硬金属，球阀结构一般包括球体、左阀体、右阀体、阀座、阀杆和金属垫圈等。因为球阀一般是采用机械性能和抗研磨性能较强的金属，楔形垫材料通常也有较强的耐高温和防腐能力，所以适用于条件需求严苛的煤化工生产工艺。
　　1.2 工作原理
　　硬密封球阀的优化改造通常使用二片式金属密封球阀，采用一体化设计改造左阀体与左阀座，同时优化右阀座密封结构，从而使管道中球阀的安装和运行状态没有方向性。即在球阀内部的球体右侧连接到煤油上游管时，左端也会连接到下游管，压力传达至上游管后，在介质压力的影响下，球阀内的球体会贴紧左阀体，从而达到密封的作用。根据这一原理也可以实现球阀的双向零泄漏。
　　1.3 加工工艺
　　在性能方面硬密封球阀有较高要求，加工工艺重点在于一体化设计的阀座，即设计成一体化的球体和左右阀座。此外还需要对其进行高强度的表面硬化处理后进行研磨，提升其表面的光滑性，形成不间断的密封带，从而实现球阀的零泄漏。
　　2 金属密封耐磨球阀特性试验
　　开展硬密封球阀特性试验时，首先调整试验工作环境温度为550℃，阀座密封等级ANSI/FCI70-2，经过5-10s动作时间后可以发现，在实际运行状态下，球阀阀门会频繁的进行动作，其温度也会不断提升。试验使用煤渣+N2为介质，介质材料具有腐蚀性，但是运行一段时间以后，阀门球体表面仍然相当光滑，其原因为采用表面硬化工艺对阀座表面及球体表面进行了处理，试验中设定的防爆等級为ExdIICT4，仪表防护等级为IP68，结合最终实验结果得出，在硬密封球阀设计中，必须满足以下几个特性：
　　一是耐磨性能较高，由于球阀在实际运行中会承受高温及持续运动摩擦的影响，因此在耐磨性方面有较高的要求，通常需要在阀座及球面处喷涂0.2-0.4mm左右的碳化物，保持65HRC以上硬度，才能达到耐磨要求;二是耐腐蚀性较强，一般采用合金或双相不锈钢作为阀体的介质材料;三是密封性较强，能够确保煤化工生产工艺中球阀做到双向零泄漏[1];四是采用双密封阀座，主要作用为阻断介质，防止因阀座出现浮动而造成泄漏的情况。
　　3 煤化工硬密封球阀的应用分析
　　3.1 核心零件工艺
　　球阀中最重要的结构之一就是硬密封球芯，硬密封球芯的圆度、粗糙度及表面硬度在实际应用中都有比较高的要求。受材料原因影响，很难通过一般设备完成加工，大多数球阀加工都只能通过进口设备进行，目前较为常见的加工工艺为超音速喷涂和热喷涂[2]。由于球阀最终的密封性能是由阀座和球芯共同作用决定，因此，必须配研阀座与球面的密封面，保证其符合标准吻合度，这样才能满足实际运用中对球阀密封性的要求。
　　3.2 常见阀门结构
　　首先是两片式球阀。两片式球阀一般有两种，一种是浮动式结构，这是一种较为简单的结构，球芯和阀座主要发挥中心性作用，通过弹性加载能够保证预紧力性平衡。同时还能精简加工工序，提高实际装配效率，实现了提升阀门泄漏安全等级和降低球阀成本的目的。另一种是固定球硬密结构，通常情况下该结构用于双向动态密封形式中，也就是采用弹簧补偿左右阀座，即补偿阀座磨损及双向密封性;其次是三片式球阀。通常情况下，三片式球阀会以高温、高压工况为根据来选择锻件毛坯的方式，同时在阀杆位置设置防冲台，以此防止阀杆因承受介质压力而冲出。一般在高压煤粉和气体传送工况中会应用到三片式球阀;最后是偏心球阀。铸造时一般直接采用偏心结构，类型相对较多，其密封部位通常为环形平台。由于这种阀门具有较强的耐高温性，并且可以实现单面密封，因此在一些能够进行调节的管道中也常有应用。
　　4 煤渣结垢造成卡涩的解决办法
　　对于密封面材料来说，通过多次试验选择出工况针对性强，同时具备较高抗氧化能力、抗黏结性以及良好导热、导电性能的硬质合金涂层材料，以此解决高温高压工况下硬质合金氧化、黏结以及静电问题，在固体颗粒介质中对其进行应用，无论是耐磨性还是使用寿命都有明显提升。其次，对于密封结构而言，可以采用双轴承、开口碟簧补偿或定量压缩的结构设计，以此保证开关的稳定性不会受到高温、常温或低温的影响。此外，通过设计球阀卸灰槽也可以对因为煤渣结垢所导致的卡涩情况进行处理，在物料送至碟簧后，卸灰槽能够及时排出碟簧后的浆料和灰尘，避免其卡死碟簧，从而暴躁阀座始终处于灵活状态。
　　5 结束语
　　总之，在煤化工生产中，硬密封球阀通常所处工况都非常恶劣，很容易出现损坏。硬密封球阀设计加工对于材料成本和工艺技术都有较高的要求，但是为了更好地满足煤化工生产需要，我们必须更加全面深入对其进行研究，从而更好推动煤化工行业发展。
　　参考文献
　　[1] 温耀信，黄汉敏.吸附脱硫装置用程控金属密封球阀设计[J].阀门，2017，（3）：5-6.
　　[2] 翟俊红.LNG用超低温球阀设计选型探讨[J].化工设计，2018，28 （2）：33-35.
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