粉煤鎖斗閥故障原因分析及解決方案

粉煤鎖斗閥故障原因分析及解決方案針對球閥作為鎖斗閥時無法從根本上解決運行中出現(xiàn)的內(nèi)泄漏和卡澀/憋壓等故障的缺點，提出了一種新型構(gòu)造的閥門)))盤閥，并結(jié)合其構(gòu)造特點闡述了盤閥作為鎖斗閥的優(yōu)越性。同時，在研究Shell粉煤氣化裝置粉煤鎖斗閥的選型根底上，分析了球閥作為鎖斗閥發(fā)生故障的原因和機理。實際使用情況說明，采用盤閥替代球閥作為鎖斗閥可以保證鎖斗系統(tǒng)的長周期穩(wěn)定運行。

在Shell粉煤氣化裝置中，粉料的處理和輸送大量地采用了鎖斗技術(shù)，包括粉煤的加壓輸送、除灰和除渣等系統(tǒng)。在這些系統(tǒng)中，鎖斗閥無一例外地選用了球閥。由于鎖斗系統(tǒng)的操作是一個壓力交變過程，閥門的操作條件比較惡劣，因此，鎖斗閥在運行中故障率比較高，給裝置的平穩(wěn)運行造成了困難。在所有的鎖斗閥中，粉煤鎖斗閥的操作條件尤為苛刻，故障頻率也較高，這已經(jīng)成為制約粉煤氣化裝置長周期運行的瓶頸。1、粉煤鎖斗閥的操作條件和選型

1.1、粉煤鎖斗閥的操作條件

粉煤鎖斗閥的操作介質(zhì)為粉煤和氮氣，其中90wt%的粉煤粒度≤90μm。它的操作條件如下：操作溫度80℃，操作壓力4.7～0.02MPa，閥門開啟/關(guān)閉時的壓差0.2～0.3MPa，開啟/關(guān)閉次數(shù)為2次/h，閥門動作(開啟或關(guān)閉)時間≤15s。

1.2、粉煤鎖斗閥的選型

粉煤具有易粘附和磨蝕等特性，尤其是在有氣體存在的情況下，這種特性表現(xiàn)得更為突出。針對此特性和鎖斗閥的操作條件，Shell粉煤氣化裝置選用了氣缸推動的金屬硬密封球閥作為粉煤鎖斗閥，閥體材質(zhì)采用碳鋼，球體、閥座和閥桿等內(nèi)件的材質(zhì)則采用雙相不銹鋼襯Stellite合金。2、鎖斗閥故障原因分析

從實際使用效果來看，金屬硬密封球閥不是很令人滿意。國產(chǎn)球閥通常在使用1500h后就會發(fā)生故障而影響使用;而由世界頂級制造商供貨，如Burgmann和Argus公司生產(chǎn)的球閥，使用壽命也就在6000h左右。鎖斗閥故障最突出的表現(xiàn)就是內(nèi)泄漏和卡澀現(xiàn)象。

2.1、內(nèi)泄漏原因分析

閥門內(nèi)泄漏的產(chǎn)生與工藝介質(zhì)的性質(zhì)、運行條件、密封面噴涂層材料的選擇、密封面及輔助密封構(gòu)造的設計等諸多因素有著直接的關(guān)系。在工業(yè)生產(chǎn)中，閥門內(nèi)泄漏的產(chǎn)生主要有兩個原因：一是密封面硬質(zhì)合金之間的粘結(jié);二是介質(zhì)對密封面的沖刷。

研究說明，采用硬質(zhì)合金作密封面的閥門，在密封面硬質(zhì)合金之間都存在不同程度的粘結(jié)現(xiàn)象，即硬密封面之間硬質(zhì)合金的微焊接現(xiàn)象。硬質(zhì)合金的選取如果不合適，密封面之間就會產(chǎn)生嚴重的粘結(jié)，閥門在啟閉時就會撕壞密封面，從而損壞密封區(qū)域。生產(chǎn)操作中閥門開啟的瞬間，由于上下游的壓差相對較高，流通間隙較小，造成介質(zhì)流速較快，如果此時介質(zhì)中含有固體顆粒，就會對閥門的密封面產(chǎn)生強烈的磨蝕和沖刷。隨著閥門開啟次數(shù)的增加，密封面將因磨蝕的積累而逐漸失效，最終導致閥門內(nèi)泄漏。

單純磨損造成密封面失效很少見，絕大部分的閥門內(nèi)泄漏都是這兩個因素共同作用的結(jié)果。粉煤鎖斗閥的密封面失效正是這樣一個過程：首先是硬質(zhì)合金的粘結(jié)造成密封面撕壞，閥門開啟時介質(zhì)的沖刷加劇了密封面的損壞，最終造成了閥門的內(nèi)泄漏。

某裝置現(xiàn)場故障閥門的解體情況充分證明了上述分析，故障閥門的球體已不再是一個光滑均勻的球體，球體的主密封面由于強烈的磨蝕和沖刷被削去了厚厚的一層，而在它的周圍則是磨蝕沖刷形成的很多凹槽，球體整體看上去就像熔融的金屬凝固后形成的不規(guī)則形狀。

經(jīng)過部分閥門供貨商的研究分析和材料試驗，證實密封面的涂層材料并非是越硬越好，也不可能有所謂最正確的適用于所有場合的某一種涂層材料。根據(jù)工藝介質(zhì)條件和操作要求，選擇合適的硬質(zhì)涂層防止密封面粘結(jié)，并采用合理的密封面構(gòu)造才是最正確的解決方案。

2.2、卡澀“憋壓”機理分析

鎖斗閥的卡澀現(xiàn)象主要與雙球閥串聯(lián)造成的“憋壓”以及密封面硬質(zhì)合金的粘結(jié)有關(guān)。在分析鎖斗閥的卡澀“憋壓”機理前，首先了解一下鎖斗系統(tǒng)的操作原理。粉煤鎖斗系統(tǒng)的流程示意圖如圖1所示。

圖1粉煤鎖斗系統(tǒng)流程示意圖

在這個系統(tǒng)中，粉煤儲罐為低壓系統(tǒng)，粉煤給料罐為高壓系統(tǒng)，鎖斗為高壓-低壓交變系統(tǒng)，粉煤由低壓變高壓、完成連續(xù)給料就是通過鎖斗的反復加壓→y放料→泄壓→進料→加壓這樣一個循環(huán)交變的過程實現(xiàn)的。首先，鎖斗處于低壓狀態(tài)，并與粉煤儲罐聯(lián)通，將低壓粉煤由粉煤儲罐放入鎖斗，待鎖斗裝滿粉煤后，即與粉煤儲罐切斷隔離;然后，采用高壓氮氣對鎖斗開展加壓，直至與粉煤給料罐的壓力相同時，打開鎖斗閥1、2，聯(lián)通鎖斗與粉煤給料罐，將鎖斗內(nèi)的粉煤放入粉煤給料罐中，待鎖斗內(nèi)的粉煤全部送入粉煤給料罐后，關(guān)閉鎖斗閥，并將鎖斗內(nèi)的氮氣排空、泄壓，直至鎖斗內(nèi)的壓力與粉煤儲罐壓力相當時，重新聯(lián)通鎖斗與粉煤儲罐，開展下一次的放料循環(huán)過程。

下面結(jié)合粉煤鎖斗系統(tǒng)的操作說明，分別針對浮動球和固定球兩種形式的球閥分析/憋壓0產(chǎn)生的機理。

2.2.1、浮動球球閥“憋壓”機理分析

若圖1中的鎖斗閥1、2采用浮動球構(gòu)造，其機理如下。在鎖斗向粉煤給料罐放料結(jié)束后，關(guān)閉鎖斗閥1、2，此時，粉煤給料罐、鎖斗以及鎖斗閥1/2之間的管道均處于高壓狀態(tài)，而粉煤儲罐則處于低壓狀態(tài)。在鎖斗與粉煤儲罐聯(lián)通前，鎖斗先要泄壓，直至與粉煤儲罐的壓力相同。在泄壓過程中，鎖斗閥1的浮動球在下游壓力的作用下向上浮動，貼緊上密封面[6]，由于鎖斗閥1、2之間的管道空間十分狹小，貼緊的上密封面一旦有絲毫的泄漏發(fā)生，鎖斗閥1、2之間管道內(nèi)留存的高壓氮氣就會經(jīng)泄漏區(qū)迅速進入鎖斗內(nèi);隨著鎖斗泄壓的開展，最終鎖斗閥1、2之間的管道就會和鎖斗一樣，均處于低壓狀態(tài)。而當鎖斗進料結(jié)束準備向粉煤給料罐放料時，則先要對鎖斗加壓，直至鎖斗與粉煤給料罐的壓力相同。在壓力逐漸升高的過程中，鎖斗閥1的浮動球在壓力的作用下脫離原先貼緊的上密封面，轉(zhuǎn)而向下密封面浮動[6]，而且隨著鎖斗內(nèi)壓力的不斷升高，鎖斗閥1的下密封面在壓力助封的作用下會越壓越緊。這樣，在鎖斗加壓結(jié)束后，鎖斗閥1的上游粉煤給料罐以及鎖斗閥2的下游就處于高壓狀態(tài)，而鎖斗閥1、2之間則形成了一個低壓區(qū)，其結(jié)果是鎖斗閥1、2的開啟壓差到達了4.7MPa，這遠遠高于0.2MPa的設計值，最終造成了鎖斗閥的卡澀/憋壓0，無法開啟。

2.2.2、固定球球閥“憋壓”機理分析

當鎖斗閥1、2采用固定球構(gòu)造時，與前述工藝過程一樣，鎖斗放料結(jié)束后也要開展泄壓。在泄壓的過程中，鎖斗閥1的下閥座在下游壓力的作用下向上浮動，貼緊閥球，此時下閥座與閥球的密封起作用。如果鎖斗閥1的下閥座密封面一旦有泄漏發(fā)生，鎖斗閥1、2之間管道內(nèi)留存的高壓氮氣就會經(jīng)由泄漏區(qū)迅速進入鎖斗內(nèi)，并最終與鎖斗一樣，均會泄壓至低壓狀態(tài)。而當鎖斗進料結(jié)束加壓時，隨著壓力的逐漸升高，鎖斗閥1的上閥座在上游壓力的作用下貼緊閥球，下閥座則與閥球脫離，并且隨著上游壓力的不斷升高，鎖斗閥1的上閥座與閥球的密封面會越壓越緊，最終造成了鎖斗閥1、2之間形成低壓區(qū)，從而造成鎖斗閥1、2的開啟壓差到達了4.7MPa，這遠遠高于0.2MPa的設計值，導致鎖斗閥發(fā)生卡澀/憋壓0而無法開啟。

值得一提地是，這樣的卡澀“憋壓”并不僅僅發(fā)生在鎖斗與粉煤給料罐之間的雙球閥，鎖斗與粉煤儲罐之間的雙球閥同樣會發(fā)生卡澀“憋壓”，甚至于平衡管線上的串聯(lián)雙球閥也會產(chǎn)生卡澀“憋壓”。

內(nèi)泄漏和卡澀“憋壓”這兩種現(xiàn)象既相互作用又相互影響，在惡性循環(huán)中嚴重縮短了球閥的壽命?？氨飰骸惫收习l(fā)生時，球閥在開啟的最初階段很不順暢，步進特征明顯，往往是閥球轉(zhuǎn)一點停頓一下，再轉(zhuǎn)一點，再停頓一下。而在這種情況下，固體物料對密封面的沖刷非常厲害(硬度再高的硬質(zhì)合金也很難經(jīng)受這樣的沖刷)，這樣劇烈的沖刷往往在一兩周內(nèi)就會造成閥門根本無法開啟，或者造成密封面受損、內(nèi)漏嚴重，以致無法繼續(xù)使用。可以說，鎖斗閥的卡澀“憋壓”等故障已經(jīng)成為制約鎖斗系統(tǒng)正常運行的最主要因素。3、解決方案

從上述分析可以看出，造成鎖斗閥出現(xiàn)故障進而影響鎖斗系統(tǒng)正常運行的根本原因是閥門構(gòu)造形式的問題，即球閥的這種雙密封面構(gòu)造造成了上述問題，這是球閥自身難以克服的問題和缺點。因此，采用球閥作為鎖斗閥是存在致命缺陷的。

要徹底解決鎖斗閥的問題，就必須尋找出一種全新的、更適合用于處理粉料的閥門類型。目前，國內(nèi)的閥門制造商**富泰斯公司開發(fā)出了一種獨特的平面密封閥門--盤閥，并已在國內(nèi)硅化工的粉料處理系統(tǒng)中取代了球閥，得到了廣泛的應用;且其作為鎖斗閥應用于Shell粉煤氣化裝置中，取得了不錯的效果。盤閥的密封性、可操作性和壽命均已超過進口球閥，從硅化工裝置中使用的效果來看，它的免維護運行時間可達世界頂級球閥的3～4倍，甚至更長。這對提高裝置的連續(xù)運行時間是一個有力的保障。

3.1、盤閥的基本密封原理

盤閥實質(zhì)上是一種平面密封的硬密封閥門，其工作原理如圖2所示。盤閥是通過閥盤在閥腔內(nèi)的滑動來實現(xiàn)開關(guān)的一種閥門，驅(qū)動裝置通過閥桿與搖臂使閥盤轉(zhuǎn)動一定的角度來實現(xiàn)閥門的開啟或關(guān)閉。閥盤密封面借助彈簧與閥座嚴密貼合，彈簧壓力迫使閥盤始終嚴密貼合在閥座上，同時又允許閥盤在密封面的垂直方向上有微小的位移，這有助于補償閥門零件由于熱脹冷縮而引起的形變和多次開關(guān)后的微量磨損，克服任何背壓變化對密封的影響并能防止顆粒介質(zhì)進入密封面之間。在閥門啟閉的過程中，閥盤不僅圍繞主軸公轉(zhuǎn)，而且由于閥座密封面對閥盤在切線方向上的摩擦力使閥盤產(chǎn)生自轉(zhuǎn)，這樣的自轉(zhuǎn)使得閥盤每次接觸物料的點都不同，所以無論是沖刷還是磨損都是均勻的;且這種自轉(zhuǎn)使得閥盤與閥座之間形成自研磨，這對于密封面具有良好的補償效果。

圖2盤閥工作原理圖

3.2、整體解決方案

結(jié)合鎖斗的工藝運行特點，盤閥著重采取了以下措施。首先，在密封面的材料選擇上，針對煤粉介質(zhì)的特點，選擇了相應的硬質(zhì)合金材料，硬質(zhì)合金材料對于煤粉基本上不粘結(jié)，同時具有良好的韌性和可重復性，非常耐受煤粉的沖刷和磨損。采用此材料加工的密封面不僅具有一定的硬度，而且很好地解決了密封面之間硬質(zhì)合金粘結(jié)的問題。其次，閥門的構(gòu)造上采取了獨特的設計，閥門的腔體上設置了吹掃口，可以對閥腔實現(xiàn)吹掃，減少物料在閥腔內(nèi)的堆積;閥軸采用無螺紋設計，而且閥軸只有轉(zhuǎn)動，沒有上下的平動，這樣可大大減少填料的磨損，增加了使用壽命;閥盤被高性能彈簧壓迫在密封閥座上，對于磨損具有很好的補償;閥盤的邊緣非常鋒利，相當于給閥盤加裝了刮刀，而且這個刮刀在切割密封面上殘留的物料時，具有切向平動和軸向轉(zhuǎn)動的雙作用，完全不同于常規(guī)球閥刮刀的單一平動作用，效果要比常規(guī)的球閥刮刀好很多[7]。

3.3、盤閥作為鎖斗閥的優(yōu)越性

作為鎖斗閥，盤閥的優(yōu)越之處主要表達在三個方面，即密封面的材料、閥體的構(gòu)造和密封型式。全新研發(fā)的硬質(zhì)合金材料作為密封面，解決了密封面硬質(zhì)合金的粘結(jié)問題;同時，硬質(zhì)合金材料對于煤粉基本上不粘結(jié)，并耐受煤粉的沖刷和磨損。

閥門獨特的構(gòu)造使其帶有“壓力自泄放”功能，即當閥腔內(nèi)的壓力升高時，壓力會自然泄放，從而保證閥門的開啟壓差永遠不會升高，這樣就從根本上杜絕了“憋壓”的可能性，這是盤閥用于鎖斗閥最獨特的優(yōu)勢。此外，由于閥體上設置了吹掃口，所以閥腔內(nèi)的殘留物非常少;且吹掃過程中對盤閥的密封面沒有影響，僅僅影響閥內(nèi)件。這和球閥的吹掃有很大的不同，球閥的吹掃基本上是沿著閥球的切線方向，混雜固體顆粒的吹掃氣對于密封面是有影響和破壞的。

盤閥的密封面垂直于流體方向，由于不存在大角度的散射，其對閥腔內(nèi)壁的沖刷比球閥弱得多。同時，由于盤閥的閥盤被彈簧壓迫在閥座上，當上下游壓差保持在彈簧允許的范圍內(nèi)時，閥盤是不會脫離閥座的，而當下游壓力高于上游時，壓力助封迫使閥盤更加貼緊閥座，泄漏的可能性更小。

3.4、實際應用例證

20**年9月初，盤閥在**大為制氨公司的Shell粉煤氣化裝置中得到了應用。盤閥作為鎖斗閥取代了原先經(jīng)常發(fā)生故障的兩臺進口球閥，迄今已平穩(wěn)運行了六個多月，共計4500多個小時，閥門未出現(xiàn)內(nèi)泄漏和卡澀等故障，閥門開關(guān)過程始終平穩(wěn)、順暢，有力地保證了粉煤鎖斗系統(tǒng)的長周期穩(wěn)定可靠運行。

20**年2月底，煤氣化裝置停車期間，對此閥開展了拆檢。從拆檢的情況看，閥門在開關(guān)了7000多次后，閥盤和閥座密封面仍完好無損傷，密封區(qū)域光滑平順無劃痕，閥腔內(nèi)部未見煤粉殘留堆積，閥門的其余內(nèi)件也沒有明顯的沖蝕和磨損痕跡，閥門的各項功能指標均在設計值的正常范圍內(nèi)