水煤漿工況用硬密封球閥的研究與設(shè)計(jì)

摘要　介紹了水煤漿工況用硬密封球閥的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),分析了水煤漿工況用硬密封球閥在設(shè)計(jì)
       過程中所遇到的技術(shù)難點(diǎn)及相關(guān)解決方案,闡述了硬密封球閥密封面材料配對形式的選擇及機(jī)加
       工工藝的特殊要求。
             1　概述
       隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和人民生活的提高,開發(fā)和利用新一代潔凈、高效的氣化技術(shù)對我國各種能源的合理利用十分重要。目前國內(nèi)外已開始采用水煤漿加壓氣化技術(shù)合成相關(guān)產(chǎn)品,此技術(shù)是以各種碳、氫物料為原材料(褐煤、煙煤、無煙煤、泥煤) 。其工藝過程是原料需經(jīng)必要的制粉、成漿,然后制備出水基或油基漿料,經(jīng)過攪拌、貯存、輸送,然后送專用噴嘴霧化,在氣流床氣化爐(1 400℃左右)中氣化生成粗合成氣(CO和H2 ) ,經(jīng)除塵、洗滌后送往下游工序合成相應(yīng)產(chǎn)品(如甲醇、乙烯、化肥等) 。但是水煤漿在制造前后具有腐蝕性強(qiáng),溫度高,沖蝕強(qiáng),顆粒硬度高等特點(diǎn)。

      由于普通軟密封球閥的閥座一般采用聚四氟乙烯( PTFE) 、增強(qiáng)型聚四氟乙烯(RPTFE) 、尼龍(NY-LON)或其他高分子合成材料,使用溫度一般都不高于200℃, 即使相對耐高溫的PEEK也只能承受260℃左右工作溫度。并且使用介質(zhì)中一般不允許帶有顆粒或纖維成分,否則軟密封閥門的使用壽命就很短。這就限制了普通軟密封球閥在水煤漿工中的應(yīng)用。目前滿足此類工況條件的硬密封球閥大部分依賴國外進(jìn)口。根據(jù)需要,研制了水煤漿工況用硬密封球閥。
       2　結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
       根據(jù)煤氣化技術(shù)工況條件,適用于高溫、高壓、強(qiáng)腐蝕性以及含顆粒的漿料粉末等介質(zhì)的新型硬密封球閥具有很多特點(diǎn)。
       (1) 耐高溫　能長期工作在425℃的高溫狀態(tài)下,適用于大多數(shù)高溫工況條件要求。
       (2) 耐高壓　能在25MPa的工況壓力等級下長期工作。
       (3) 耐腐蝕　能滿足大部分石油、化工等特殊行業(yè)對腐蝕性能的特殊要求。
       (4) 耐磨損　能滿足像有機(jī)硅等(硅粉顆粒硬度為52HRC)特殊介質(zhì)的耐磨性要求。

(5) 雙向密封　能保證閥門的雙向密封,使閥門的密封性能得到提高,為閥門在線緊急搶修提供 了保證。同時(shí)也保證了介質(zhì)逆向流動(dòng)時(shí)的密封性 能,為防止介質(zhì)倒流提供了必要的保障。
       (6) 耐沖蝕　在球體密封面上不僅是采用了耐高溫、耐腐蝕性能好的鎳基合金,而且還在里面加入了具有高耐磨性的碳化鎢,使球體密封表面硬度達(dá)到65HRC。這種鎳基合金和碳化鎢(WC)調(diào)配百分比能使噴焊層與基體材質(zhì)有較高的結(jié)合強(qiáng)度,如此 高的結(jié)合強(qiáng)度,使噴焊層能承受強(qiáng)烈的機(jī)械沖擊及熱沖擊而不會(huì)產(chǎn)生脫落。閥座密封面采用堆焊STL
合金,合金層加工后,厚度≥2mm,硬度> 55HRC。這樣使閥門具有了更高的耐磨性能和耐沖蝕性能。
       3　技術(shù)難點(diǎn)
       相對普通的硬密封球閥來說,水煤漿工況用硬密封球閥要適用于高溫、高壓、強(qiáng)沖蝕、強(qiáng)腐蝕等工況條件,在設(shè)計(jì)和制造過程中存在不少技術(shù)難點(diǎn)。
       (1)密封比壓高　水煤漿工況用硬密封球閥由于采用金屬材料為密封面,所需要的密封比壓比軟密封要高得多,因此如何從設(shè)計(jì)上保證適當(dāng)?shù)拿芊獗葔?提高零件的形位公差以及提高表面光潔度要求是十分重要的。
       (2)球體表面硬度高　煤粉顆粒的硬度較高,此工況情形下,在閥門關(guān)閉的狀態(tài)時(shí)要求球體表面硬度層有較高的硬度,否則,當(dāng)閥門開啟的過程中會(huì)有煤粉顆粒鑲嵌在球體表面上,從而破壞球體表面,以至于影響到閥門的整體密封性能。
       (3)噴焊層結(jié)合強(qiáng)度高　煤粉在管線中的流動(dòng)速度很快,因此要求球體密封面必須有較高的硬度和強(qiáng)度,同時(shí)還要求所噴焊的密封材料和基體材料有較高的結(jié)合強(qiáng)度,以及基體材料本身的強(qiáng)度較好,這樣噴焊層才不能從基體表面脫落,而失去密封性能。
       (4)自潔功能　煤漿的吸附性較強(qiáng),容易粘在球體表面上。在閥門啟閉過程中,介質(zhì)顆粒被帶到閥座與球體的密封面之間,破壞了球體與閥座之間的密封副,從而影響閥門的密封性能,使閥門的使用壽命大大縮短。這就要求閥門具有很好的“自潔”功能,從而保證球體和閥座密封副不被破壞。
       (5)加工難　由于水煤漿工況用硬密封球閥的密封表面均采用超硬材料或表面硬化處理,用普通刀具無法加工,即使能加工其加工精度也不能滿足要求,同時(shí)還要求加工設(shè)備具有足夠的強(qiáng)度,因此選擇合適的刀具非常重要。
       4　問題解決方法
       根據(jù)上述技術(shù)難點(diǎn),要設(shè)計(jì)和制造出相應(yīng)水煤漿工況用硬密封球閥,就必須有切合實(shí)際的可行性解決方法。
       (1)閥座碟形彈簧補(bǔ)償結(jié)構(gòu)　由于采用金屬材料作為密封面,所需密封比壓比軟密封要高得多,從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上保證提供適當(dāng)密封比壓顯得尤為重要。所以采用“彈簧+閥座”的組合閥座結(jié)構(gòu),通過高負(fù)載碟形彈簧提供初始預(yù)緊密封比壓?？紤]到高溫時(shí)金屬材料的線性膨脹影響,采用碟形彈簧串聯(lián)的組合設(shè)計(jì)方式,這樣即滿足了碟形彈簧所提供的初始預(yù)緊力,同時(shí)又解決了由于熱膨脹所造成過大摩擦力矩的情形。這樣既能滿足閥門在低壓情況下的密封性能,又能提供一個(gè)較高的密封剪切力,使閥座與球體始終緊貼在一起,在球閥開啟、關(guān)閉的過程中閥座對球體表面起到“清潔”的作用。另外,在閥座的前、后都增加了“刮削刀刃”的設(shè)計(jì),使閥門在開啟或關(guān)閉的過程中,閥座刀刃都對球體表面吸附物起到刮削作用,從而不至于把介質(zhì)帶入密封副之間破壞密封面,影響整體球閥的密封性能。
       (2)特殊的加工工藝　零件的加工精度對密封的可靠性提高也起到關(guān)鍵性作用,尤其對球體和閥座的加工要求顯得更為重要。球體噴涂WC前后都須用專用球面磨床磨削。閥座堆焊后,采用數(shù)控機(jī)床加工。當(dāng)球體和閥座達(dá)到一定精度要求時(shí),兩者進(jìn)行配對研磨。
       (3)密封副配對材料　密封副材料配對的選擇直接關(guān)系到閥門的性能、使用壽命和操作扭矩。根據(jù)熱處理?xiàng)l件,以及機(jī)械加工手段。選擇球體表面噴焊鎳基WC與閥座密封面堆焊STL合金的形式較為理想。這種配對使球體表面噴焊層硬度和厚度有保證,能滿足高溫、高壓以及頻繁開啟的應(yīng)用場合。該配對由于采用了不同的配對材料,及鎳基合金本身具有高的耐磨性和較好的高溫性能,以及閥座密封面堆焊STL合金層較厚,抗咬性好。適用于輸送腐蝕性強(qiáng)、溫度高及帶顆粒的漿料、粉末等惡劣工況的介質(zhì)。同時(shí)還解決了由于頻繁開啟而造成密封面之間的磨損。
       5　設(shè)計(jì)計(jì)算
       球閥結(jié)構(gòu)為固定式進(jìn)口端密封形式。此結(jié)構(gòu)關(guān)閉時(shí),填料和大部分閥體不受內(nèi)壓載荷,在加壓一側(cè)不形成積液區(qū)。以10 in. ( 250mm) - 900 lb球閥為例進(jìn)行密封比壓、總摩擦扭矩、碟形彈簧負(fù)荷的計(jì)算

      (圖1、表1、表2) 。

       將數(shù)值代入式( 3) , 得q = 19143 M Pa。根據(jù)密封原理, 如果要實(shí)現(xiàn)球體與閥座之間的金屬密封, 必須保證qM F < q < 〔q〕( 〔q〕為密封材料的許用比壓) 。查表得〔q〕= 80 M Pa。通過計(jì)算結(jié)果可知, 球閥設(shè)計(jì)的相關(guān)參數(shù)初步滿足要求。
       5.2　總摩擦扭矩計(jì)算
       固定式球閥由介質(zhì)工作壓力形成的作用力完全傳遞給軸承。作用力的大小取決于球閥閥座密封結(jié)構(gòu)。對進(jìn)口端密封閥座, 總摩擦扭矩MF 為

       式中　MQ Z ———球體在閥座中的摩擦力矩, N·mm
       MQ Z1 ———閥座對球體的預(yù)緊力產(chǎn)生的摩擦力
       矩, N·mm
       qM Ym in ———最小預(yù)緊比壓( qM Ym in = 310 ) ,
       M Pa
       fM ———球體與閥座的摩擦系數(shù)( fM = 0111)
       MQ Z2 ———介質(zhì)工作壓力產(chǎn)生的摩擦力矩,
       N ·mm
       MZC ———軸承中的摩擦力矩, N ·mm
       fz ———軸承摩擦系數(shù)( fz = 011)
       MFT ———填料與閥桿的摩擦力矩, N ·mm
       η———系數(shù)(η = 0173)
       將數(shù)值代入式(4) 、(5) 、(6) 、(7) 、(8) 和
       ( 9 ) 中, 則MQ Z1 = 539N ·m, MQ Z2 = 2 317N·m,
       MQ Z =2 855N·m, MZC = 3 324 N·m,MFT = 201N·m,

       MF = 6 380N·m
       5.3　碟形彈簧的選型與計(jì)算

       根據(jù)閥門所需要的最小預(yù)緊密封比壓以及串聯(lián)碟形彈簧的受力情況、壓縮變形量和熱影響的要求, 選擇有支承面碟簧(圖2) 。帶有彈性元件的閥座預(yù)緊力由彈性元件產(chǎn)生, 根據(jù)所需要的最小預(yù)緊比壓qM Ym in = 310M Pa。閥座預(yù)緊力QZT和碟形彈簧負(fù)荷P為

       式中　QZT ———預(yù)緊作用力, N
       FM H ———密封環(huán)帶面積, mm2
       D ———彈簧外徑(D = 292) , mm
       d———內(nèi)徑( d = 262) , mm
       t———彈簧厚度( t = 716) , mm
       H0 ———單個(gè)碟簧自由高度(H0 = 10) , mm
       h0 ′———代替h0 ( h0 ′=H0 - t = 214) , mm
       P ———無支撐面單個(gè)碟簧的負(fù)荷( P =QZT =
       21 124) , N
       PC ———壓平時(shí)碟簧負(fù)荷計(jì)算值, N

       f———單個(gè)碟簧的變形量, mm
       E———彈性模量( E = 012) , M Pa
       μ———泊松比(μ= 013)
       C———直徑比(C =D / d = 1112)
       將數(shù)值代入式(10) , 則QZT = 21 124N。將各參數(shù)代入式( 11) , 可得單個(gè)碟簧的變形量f = 018mm。
       5.4　分析
       ①根據(jù)相關(guān)計(jì)算和驗(yàn)算數(shù)據(jù)可得qM F < q <〔q〕可以實(shí)現(xiàn)球體與閥座之間的金屬密封。
       ②根據(jù)總摩擦扭矩MF 以及相關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)對執(zhí)行機(jī)構(gòu)的有關(guān)規(guī)定, 可以選擇相應(yīng)的手動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。同時(shí)可以對閥桿強(qiáng)度、剪切力以及鍵的長度和數(shù)量的選取進(jìn)行相關(guān)驗(yàn)算。
       ③單個(gè)碟簧的變形量f以及串聯(lián)碟簧組合的關(guān)系, 可知總的變形量。并可以計(jì)算出球閥沿流道方向上尺寸鏈的關(guān)系, 從而確定相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)。
       ④根據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)驗(yàn)算, 可以對法蘭螺栓進(jìn)行強(qiáng)度以及數(shù)量的驗(yàn)算, 從而確定端法蘭和上、下法蘭螺栓數(shù)量以及螺栓直徑, 以及有關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)(如:端法蘭ASM E B1615、結(jié)構(gòu)長度ASM E B 16110等) , 最終完成相關(guān)圖紙?jiān)O(shè)計(jì)。
       6　結(jié)語
       通過熱態(tài)工況試驗(yàn)及實(shí)際使用證明, 水煤漿工況用硬密封球閥適用于介質(zhì)為含有大量泥砂的高壓原油的采油、輸送始端, 煉油廠中的原油提煉、渣油加氫、焦化工藝等高溫高壓系統(tǒng), 乙烯項(xiàng)目中介質(zhì)為聚合物顆粒的工況, 有機(jī)硅項(xiàng)目中高硬度顆粒介質(zhì)工況, 造紙行業(yè)中含纖維介質(zhì)工況, 煤炭化工行業(yè)中及水煤漿氣化合成化肥項(xiàng)目中的部分裝置上。
       參考文獻(xiàn)
       〔1〕　A PI 6D, 管線閥門(閘閥、旋塞閥、球閥和止回閥) 〔S〕.
       〔2〕　A PI 6FA, 閥門耐火試驗(yàn)規(guī)范〔S〕.
       〔3〕　ISO 17292, 石油、石油化工和相關(guān)工業(yè)用鋼制球閥〔S〕.
       〔4〕　楊源泉. 閥門設(shè)計(jì)手冊〔M 〕. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社,1992.
       〔5〕　(美) J. L. 萊昂斯. 閥門技術(shù)手冊〔M 〕. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 1990.
       〔6〕　荊秀文, 陳文, 楊武鳴. 金屬材料應(yīng)用手冊〔M 〕. 陜西:科學(xué)技術(shù)出版社, 1987.
       〔7〕　金屬機(jī)械加工工藝人員手冊〔M 〕. 上海: 科學(xué)技術(shù)出版社, 1999.
       〔8〕　沈陽閥門研究所. 閥門設(shè)計(jì)〔M 〕. 沈陽: 沈陽閥門研究所, 1976.
       〔9〕　成大先. 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊〔M 〕. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社,1999.