上海申弘閥門有限公司
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煤化工金屬耐磨球閥結(jié)構(gòu)改進(jìn)一種金屬密封耐磨球閥技術(shù)領(lǐng)城
本實(shí)用新型提供了一種管道控制閥門，特別是一種金屬密封耐磨球閥。球閥由于具有流阻小、開關(guān)迅速、密封性能好、使用壽命長，便于氣控和電控等特點(diǎn)，應(yīng)用范圍廣泛。金屬密封耐磨球閥是球閥中重要的一類，具有球閥的優(yōu)點(diǎn)，特別適用于各類顆粒介質(zhì)，如煤化工裝置的煤粉、煤漿、煤渣;有機(jī)硅、多晶硅裝置的硅粉、硅塵、高溫氣體;有色金屬行業(yè)的鋁粉、鎳粉等金屬粉末;同時(shí)也適用于電力、鋼鐵行業(yè)的各種惡劣工況。
金屬密封耐磨球閥廣泛應(yīng)用于顆粒介質(zhì)和高壓差的惡劣工況下，極容易出現(xiàn)開關(guān)動(dòng)作卡滯、球體和閥座密封不嚴(yán)、密封面被沖蝕及介質(zhì)從閥桿處泄漏等一系列威脅裝置安全的嚴(yán)重問題。本實(shí)用新型針對(duì)以上問題做了一系列創(chuàng)新的設(shè)計(jì)，以解決惡劣工況下開關(guān)動(dòng)作卡滯和密封問題。
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)Ｃ簹饣玫臍饣瘎┲饕獮檎羝⒏邏焊呒兌妊鯕饧捌浠旌蠚怏w，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)嗉傲髁靠刂频牟考玫搅藰O為廣泛的應(yīng)用。
2 煤化工金屬耐磨球閥結(jié)構(gòu)改進(jìn)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)1t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。金屬密封耐磨球閥結(jié)構(gòu)適用于輸送黑水、渣水及水煤漿等含固體顆粒的介質(zhì)，閥門的球體和閥座用超音速噴涂（HVOF）JK117或閥座堆焊STL12#（D812）硬質(zhì)合金，大規(guī)模生產(chǎn)時(shí)，應(yīng)采用數(shù)控研磨中心對(duì)球體和閥座實(shí)行高精度的研磨。閥桿有防止固體顆粒進(jìn)入填料函的金屬和填料雙密封結(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)為大工作壓力，另一側(cè)為大氣壓的大壓差工況下，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/FCI70－2的ClassⅤ級(jí)。
4煤化工金屬耐磨球閥結(jié)構(gòu)改進(jìn) 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)為刮刀式。閥門具有自泄壓功能，符合抗靜電及防火要求，依據(jù)NACEMR－0103進(jìn)行防腐處理，并按需要配置閥門齒輪箱（圖2）。
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ANSIB16.34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)ANSIB16.5，采用RF法蘭連接。對(duì)焊連接端部標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)ANSIB16.25。
（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 A182 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Inconel718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)*API598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）。（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)（Chesterton5300）和2個(gè)有Inconel合金絲編織成的石墨抗擠壓環(huán)（Chesterton1601）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API598標(biāo)準(zhǔn)要求。
【煤化工金屬耐磨球閥結(jié)構(gòu)改進(jìn)實(shí)用新型內(nèi)容】
為了克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本實(shí)用新型的一個(gè)目的在于提供一種金屬密封耐磨球閥，球體流道口處采用*的弧形缺口設(shè)計(jì)，以降低球閥開關(guān)時(shí)介質(zhì)顆粒的流速，同時(shí)減小介質(zhì)顆粒對(duì)球體與閥座的沖刷與磨損。
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。本實(shí)用新型的第二個(gè)目的在于提供一種金屬密封耐磨球閥，其進(jìn)口閥座采用了外緣缺口設(shè)計(jì)，使得閥門前的介質(zhì)壓力可順利進(jìn)入閥門中腔，在閥門開關(guān)過程中介質(zhì)流動(dòng)更加順暢，動(dòng)作更加平穩(wěn)。
本實(shí)用新型的第三個(gè)目的在于提供一種金屬密封耐磨球閥，其閥桿的下端設(shè)置有一處圓柱狀凸起，作為閥桿與球體的導(dǎo)向限位結(jié)構(gòu)，以避免閥桿與球體之間產(chǎn)生過大的相對(duì)線性位移而增加不必要的操作力矩。
本實(shí)用新型的第四個(gè)目的在于提供一種金屬密封耐磨球閥，閥桿處設(shè)置兩處密封，以充分保證閥桿處的密封，避免介質(zhì)從閥桿處發(fā)生泄漏，同時(shí)閥桿與填料箱之間設(shè)置有兩片高硬度耐磨墊片，從而有效地降低閥桿與填料箱之間的摩擦力矩，避免閥桿發(fā)生卡滯。
