煤化工行業(yè)用金屬密封球閥的選型及應(yīng)用
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摘要 介 了在煤制油工 程中金屬密封耐磨球 的 型和市 需求及 用 域，分析了
金屬密封浮 球球 和固定球球 的 構(gòu)特性和 型及 用。
關(guān)鍵詞 煤化工; 金屬密封球閥; 耐磨閥門; 浮動(dòng)球; 固定球; 熱噴涂
Abstract: Introduces the selection and market demands as well as application fields of metal seal wear
－ resisting ball valve in the process of coal to oil production，analyses the structure characteristics，se-lection and application for metal seal floating ball valve and fixed ball valve．
Key words: coal chemical; metal seal; ball valve; wear valve; floating ball; fixed ball; thermal spray
1 煤化工用金屬密封球閥概述
煤化工是將煤通過熱加工和催化加工轉(zhuǎn)化為各種燃料和化工產(chǎn)品的過程。煤化工及煤制油項(xiàng)目首先要進(jìn)行煤氣化，在高溫下將煤、焦炭等固體燃料與氣化劑反應(yīng)，轉(zhuǎn)化為氣體產(chǎn)物和殘?jiān)?/span>。煤氣化所用的氣化劑主要為蒸汽、高壓高純度氧氣及其混合氣體，氣化反應(yīng)包括了一系列均相與非均相化學(xué)反應(yīng)。所得氣體產(chǎn)物因所用原料煤質(zhì)、氣化劑的種類和氣化過程不同而具有不同的組成，可分為煤氣、半水煤氣及水煤氣等。在煤化工產(chǎn)業(yè)的煤制油、煤制烯烴及大型煤化成套系統(tǒng)中，金屬密封耐磨球閥作為一種耐磨損的管路系統(tǒng)截?cái)嗉傲髁靠刂频牟考?/span>得到了極為廣泛的應(yīng)用。
2 煤制油工藝過程
煤制油工藝是以煤炭為原料，通過化學(xué)加工方法將固態(tài)的煤轉(zhuǎn)化合成為液態(tài)的石油燃料產(chǎn)品，其工藝可分為直接液化和間接液化。
2. 1 直接液化
直接液化是先將煤炭磨成煤粉與溶劑配制成油煤漿，然后在高溫、高壓下將煤中復(fù)雜的有機(jī)高分子結(jié)構(gòu)直接轉(zhuǎn)換為較低分子液體燃料。在精制后制得的油品，其工藝過程見圖 1。直接液化油回收率高，可達(dá) 63% ～ 68% ，煤消耗量小，生產(chǎn)液化油，需消耗洗精煤約 2. 4t。餾分油以汽、柴油為主，目標(biāo)產(chǎn)品的選擇性相對(duì)較高。油煤漿進(jìn)料，設(shè)備體積小，投資和運(yùn)行費(fèi)用低。 直接液化的反應(yīng)條件相對(duì)較苛刻。
溫度要求過高，液化壓力為 17. 0 ～ 30. 0MPa，溫度為 430 ～ 470℃ 。出液化反應(yīng)器的產(chǎn)物組成較復(fù)雜，液、固兩相混合物由于粘度較高，分離相對(duì)困難。氫耗量大，一般在 6% ～ 10% 。
2. 2 間接液化
間接液化是將煤炭在高溫下氣化，轉(zhuǎn)化為合成氣 ( CO 和 H2 ) ，再經(jīng)過費(fèi)－ 托合成可制得燃料 ( 汽油、柴油和航空燃料) 和化工原料。合成條件較溫和，反應(yīng)壓力 2. 0 ～ 3. 0MPa，反應(yīng)溫度低于 350℃ 。轉(zhuǎn)化率高，如 SASOL 公司 SAS 工藝采用熔鐵催化劑，合成氣的一次通過轉(zhuǎn)化率達(dá)到 60% 。
由于煤基間接液化反應(yīng)物均為氣相，所以其工藝設(shè)備體積龐大，投資和運(yùn)行費(fèi)用高。間接液化全部需要依賴于煤的氣化，其煤耗量大且合成副產(chǎn)物
較多，目標(biāo)產(chǎn)品的選擇性相對(duì)較低。
3 閥門特性要求
3. 1 工況條件
煤制油、油改煤及煤氣化等煤化工系統(tǒng)處于介質(zhì) ( 煤渣) 高硬度、高壓力及高溫度的工況，閥門應(yīng)具有耐磨、耐沖刷、防結(jié)垢、防結(jié)疤及快速切斷等 功 能。閥 門 口 徑 大 ( 一 般 為 DN300 ～ DN450) 、啟閉頻繁且速度快 ( 30min 動(dòng)作一次，5～ 10s / 次) ，要求閥門密封性能好，可靠性高。目前，特級(jí)耐磨球閥已廣泛用于德士古爐煤化工和煤制油行業(yè)，其介質(zhì)水煤漿中包含 58% ～ 67% 的煤粉固體。黑水系統(tǒng)及灰漿系統(tǒng)中含有大量渣漿等特硬固體顆粒，在閥門腔體內(nèi)沉積、堵塞或結(jié)垢，難于清除 ( 表 1) 。
| 表 1 煤化工用閥門特殊要求 |
| |
特殊要求 | 閥門性能 |
| |
使用溫度 | ≤550℃ |
閥座密封等級(jí) | ANSI /FCI 70 － 2 的 ClassⅤ級(jí) /API 598 |
啟閉動(dòng)作 | 5 ～ 10s / 次( 氣動(dòng)裝置) |
閥門強(qiáng)度 | 高強(qiáng)度軸承及高性能的執(zhí)行機(jī)構(gòu) |
磨損度 | 具有很強(qiáng)的耐磨性，采用球面和閥座噴涂 WC，涂層厚度為 0. 2 ～ 0. 4mm，硬度為 65 ～ 70HRC |
密封性 | 球體和閥座都進(jìn)行表面硬化處理，密封結(jié)構(gòu)采用彈簧加力閥座，使閥座向球體移動(dòng)，高精度加工技術(shù)確保密封等級(jí) |
腐蝕性 | 滿足 ANSI /FCI 70 － 2 的 ClassⅤ級(jí) /API 598 密封試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn) |
酸性 | 閥體材料采用奧氏體不銹鋼、雙相不銹鋼、英康乃爾合金，具有很強(qiáng)的耐腐蝕性 |
其他 | 材料符合 NACE MR-0103 及 NACE MR-0175 要求。與介質(zhì)接觸的零部件禁用銅材。儀表及附件防護(hù)等級(jí)達(dá)到 IP65 ～ |
68，防爆等級(jí)達(dá)到 ExdⅡCT4
3. 2 | 閥門材料 | | | Inconel625 ( Hasloy C － 276) 。Class2 500 | 的高溫 |
| | Class600～ 1 | 500 的常溫 ( － 29 ～ 200℃ ) 耐磨 | ( 300 ～ 510℃ ) | 耐磨球閥閥體材料為 A182 | F22或 |
球閥，閥體材料為 ASTM A105 碳鋼鍛制球閥，其 | A182 F347 不銹鋼鍛鋼，球體選用 Inconel718。閥 |
球體選用 ASTM A182 F304。對(duì)于有強(qiáng)腐蝕工況 | 桿采用沉淀硬化不銹鋼 17 － 4PH | ( 表 2) 或 A638 |
時(shí)，閥體材料可采用奧氏體不銹鋼、雙相不銹鋼、 | － 660。 | | | | |
| | | 表 2 | 17 － 4PH 沉淀硬化不銹鋼和不銹鋼常溫力學(xué)性能比較 | | | |
| | | | | | | | |
| | 鋼種 | 屈服強(qiáng)度 /MPa | 抗拉強(qiáng)度 /MPa | 延伸率 /% | 斷面收縮率 /% | 硬度 /HRC |
| | | | | | | | | |
| | 17 － 4PH | ≥1 207 | ≥1 310 | ≥14 | ≥54 | ≥42 | | |
| | F304 | ≥205 | ≥515 | ≥40 | ≥60 | ≤187 | | |
| | CF8 | ≥205 | ≥485 | ≥35 | / | / | | |
| | F316 | ≥205 | ≥515 | ≥40 | ≥60 | ≤187 | | |
| | CF8M | ≥205 | ≥485 | ≥30 | / | / | | |
| | | | | | |
3. 3 | 工藝技術(shù) | | | 或閥座堆焊 STL12# ( D812) 硬質(zhì)合金，大規(guī)模生 |
| | 金屬密封耐磨球閥結(jié)構(gòu)適用于輸送黑水、渣水 | 產(chǎn)時(shí)，應(yīng)采用數(shù)控研磨中心對(duì)球體和閥座實(shí)行高精 |
及水煤漿等含固體顆粒的介質(zhì)，閥門的球體和閥座 | 度的研磨。閥桿有防止固體顆粒進(jìn)入填料函的金屬 |
用超音速噴涂 ( HVOF) JK117 { ( WC ) /17Co } | 和填料雙密封結(jié)構(gòu)。閥座彈簧具有防止灰渣堵塞結(jié) |
構(gòu)。球閥在其一側(cè)為zui大工作壓力，另一側(cè)為大氣壓的zui大壓差工況下，完成啟閉并保證可靠密封，水壓試驗(yàn)的泄漏等級(jí)應(yīng)達(dá)到 ANSI /FCI 70 － 2 的
ClassⅤ級(jí)。
4 球閥性能分析
4. 1 浮動(dòng)球 ( MOGAS 產(chǎn)品)
美國 MOGAS 雙金屬閥座浮動(dòng)球球閥，為介質(zhì)出口端金屬密封，閥桿帶軸肩防飛出結(jié)構(gòu)，閥座設(shè)計(jì)為gua刀式。閥門具有自泄壓功能，符合抗靜電及防火要求，依據(jù) NACE MR － 0103 進(jìn)行防腐處理，并按需要配置閥門齒輪箱 ( 圖 2) 。
64HRC 以上，厚度不小于 0. 3mm。球體與閥座手工配對(duì)研磨，密封檢驗(yàn)* API 598 標(biāo)準(zhǔn)要求。閥座鋒利的邊緣可對(duì)球體自刮擦自清潔，防止介質(zhì)
進(jìn)入球體與閥座的密封面而造成內(nèi)漏和卡塞現(xiàn)象。
( 7) 碟簧 選用碟形結(jié)構(gòu)彈簧，材料為 In-conel718。碟簧的主要作用是為閥座和球體施加一個(gè)預(yù)緊力，保證球體與閥座緊密結(jié)合。當(dāng)球體、閥
座受到熱脹發(fā)生位移時(shí)可有效回縮，防止球體與閥座發(fā)生卡塞現(xiàn)象。碟簧后閥座腔倒角處理 ( 角度經(jīng)流體動(dòng)力學(xué)計(jì)算) ，使固體顆粒不易堆積在閥座后面而影響閥座的有效退讓 ( 圖 3) 。
1. 閥桿 2. 閥桿導(dǎo)向環(huán) 3. 閥桿密封軸承 4. 填料防護(hù)環(huán)
5. 復(fù)合填料 6. 執(zhí)行器固裝支架 7. 填料壓蓋
8. 閥桿上的 “T”標(biāo)志 9. 刻線
圖 2 MOGAS 耐磨球閥閥桿填料結(jié)構(gòu)
( 1) 通徑 采用 ANSI B16. 34 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。
( 2) 壓力等級(jí) 閥門的壓力等級(jí)符合訂貨規(guī)格及工藝管路等級(jí)要求，閥體壓力等級(jí)不低于法蘭等級(jí)。
( 3) 連接形式 球閥過程連接為法蘭連接或?qū)高B接，法蘭標(biāo)準(zhǔn)依據(jù) ANSI B16. 5，采用 RF
法蘭連接。對(duì)焊連接端部標(biāo)準(zhǔn)依據(jù) ANSI B16. 25。
( 4) 結(jié)構(gòu)長度 采用 ANSI B16. 10 標(biāo)準(zhǔn)確定
閥的結(jié)構(gòu)長度。
( 5) 閥體、閥蓋 均選用鍛件 ASTM A105、 ASTM A82 F22、A182 F347，對(duì)于需要防硫化氫的閥門按照 NACE 要求進(jìn)行熱處理。
( 6) 球體、閥座 球體為不銹鋼 410SS，表面高速氧火焰噴涂碳化鉻合金 ( 涂層耐溫 815℃ ) ，硬度 64HRC 以上，厚度不小于 0. 3mm。閥座為
Inconel 718 合金，同樣采用噴涂碳化鉻合金硬化處理。表面高速氧火焰噴涂碳化鉻合金再熔融處理 ( 耐溫 815℃ ) ，涂層耐磨不易脫落。球面硬度
1. 球體 2. 閥座 3. 彈簧
圖 3 耐磨球球體與閥座結(jié)構(gòu)
( 8) 閥桿 閥桿材料選用 17 － 4PH 或 A638 － 660。閥桿設(shè)計(jì)為雙密封并有軸肩防飛出結(jié)構(gòu)，帶彈簧預(yù)緊的填料壓蓋結(jié)構(gòu)。閥桿設(shè)置有金屬密封軸承和填料雙重密封
圖 4 MOGAS 耐磨球閥填料及填料壓蓋結(jié)構(gòu)
( 9 ) 填料 由 3 個(gè)模壓成型組合純石墨環(huán) ( Chesterton 5300) 和 2 個(gè)有 Inconel 合金絲編織成的石墨抗擠壓環(huán) ( Chesterton 1601) 組成，能承受
970℃ 的高溫。填料壓蓋帶有預(yù)載碟簧，填料壓蓋可持續(xù)壓緊填料不致發(fā)生外漏現(xiàn)象。
( 10) 泄漏等級(jí) 切斷閥的閥瓣和閥座采用金屬密封的雙向密封形式。金屬密封軸承表面硬化處理后手工配對(duì)研磨，為壓力密封設(shè)計(jì)，壓力越大，密封越緊，可防止固體顆粒進(jìn)入填料函。泄漏等級(jí)
符合 API 598 標(biāo)準(zhǔn)要求。
4. 2 固定球 ( HARTMANN 產(chǎn)品)
德國 HARTMANN 高壓固定球球球閥為金屬雙向密封，全通徑，雙流向，3 片分體式結(jié)構(gòu)。密
5 結(jié)語
煤制油工藝過程中同時(shí)存在氣 － 液 － 固三相混合物介質(zhì)，對(duì)閥門提出高溫、高壓、耐磨、耐腐蝕、耐沖刷、抗熱循壞和零泄漏等要求。作為全通徑、大流量、低流阻、開關(guān)方便等優(yōu)點(diǎn)的金屬密封耐磨球閥將獲得快速發(fā)展，將逐步從低壓、常溫到高壓、高溫，促進(jìn)了球閥應(yīng)用范圍的擴(kuò)大和發(fā)展。浮動(dòng)球與固定球耐磨球閥各有特點(diǎn)，各種選型原則只是在一般情況下的應(yīng)用原則。隨著閥門生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，浮動(dòng)球球閥將可用于高壓力工況，固定球球閥也可以用于含固體顆粒介質(zhì)工況。高溫高壓金
屬密封耐磨球閥在煤化工產(chǎn)業(yè)的煤制油、煤制烯烴及大型煤化成套系統(tǒng)中的推廣應(yīng)用，可替代進(jìn)口的同類產(chǎn)品，提升我國高溫高壓耐磨球閥的技術(shù)水平，有效降低企業(yè)的設(shè)備采購成本。
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