中國(guó)石化齊魯分公司第二化肥廠Texaco煤氣化裝置（簡(jiǎn)稱齊魯煤氣化）采用水煤漿為氣化原料，在壓力6.5MPa、溫度1350～1450℃的條件下，使水煤漿和氧氣進(jìn)行氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生煤氣。煤氣經(jīng)過(guò)激冷水浴、洗滌、除塵制成水蒸氣飽和的合成氣送出，而煤中部分未燃盡的碳和不可燃的灰分在高溫下形成熔渣，經(jīng)水冷卻和破渣機(jī)破碎，通過(guò)鎖斗定期排入渣池；氣化爐及洗滌塔產(chǎn)生的黑水經(jīng)調(diào)節(jié)閥減壓到0.8MPa后進(jìn)入高壓閃蒸系統(tǒng)罐內(nèi)閃蒸，以便于回收灰水和熱量。
高壓黑水調(diào)節(jié)閥是Texaco煤氣化裝置必不可少的關(guān)鍵設(shè)備，主要應(yīng)用于氣化流程中的閃蒸和水循環(huán)系統(tǒng)，對(duì)于在高壓差（*大5.3MPa）工況下且腐蝕性很強(qiáng)的氣、液、固三相介質(zhì)流進(jìn)行流量和壓力控制。
2001年以前，國(guó)內(nèi)尚沒(méi)有類似的成熟產(chǎn)品，該類產(chǎn)品及備件一直被國(guó)外公司壟斷；加之由于運(yùn)行工況極度惡劣，導(dǎo)致其使用壽命比較短，維修頻繁且成本高，給裝置的安全生產(chǎn)帶來(lái)很大的隱患。因此，有必要針對(duì)高壓黑水調(diào)節(jié)閥在使用過(guò)程中常見(jiàn)的故障進(jìn)行分析研究并加以改進(jìn)，延長(zhǎng)其使用壽命，提升Texaco煤化工裝置的長(zhǎng)周期經(jīng)濟(jì)運(yùn)行水平。
1 高壓黑水調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
Texaco煤氣化爐及洗滌塔產(chǎn)生的黑水（壓力5.51MPa、溫度240℃）溶解有大量的酸性氣體，經(jīng)過(guò)黑水調(diào)節(jié)閥減壓后送入高壓閃蒸罐（設(shè)定壓力0.8MPa），由于其閥后壓力突然大幅降低，各組分在氣相中的分壓迅速降低，黑水大量汽化，溶解在水中的酸性氣體逸出水面。氣液兩相在分離器中分開(kāi)，氣相為頂部產(chǎn)物，其中易揮發(fā)組分較為富集；液相為底部產(chǎn)物，其中的難揮發(fā)組分獲得增濃。
齊魯煤氣化高壓黑水調(diào)節(jié)閥采用Masoneilan73000系列SWEEP長(zhǎng)彎頸角式閥門(mén)，并在閥座出口配有文丘里擴(kuò)散段。此系列閥門(mén)是Masoneilan公司專門(mén)為黑水、灰水介質(zhì)等含固體雜質(zhì)的控制而設(shè)計(jì)，可有效防止固體介質(zhì)在閥內(nèi)的淤積。其中，閥體材質(zhì)選用ASTMA351Gr－CF3M不銹鋼；閥桿材質(zhì)選用316L表面噴焊碳化鎢硬質(zhì)合金，保證了閥桿與介質(zhì)接觸部分的抗沖蝕能力；閥芯、閥座以及出口流道選用實(shí)體碳化鎢材料，可有效地防止介質(zhì)的沖蝕；閥座與文丘里擴(kuò)散段為整體式，閥頭和閥桿連為一體，閥門(mén)維修、備件更換簡(jiǎn)便；導(dǎo)向套和較大直徑的閥桿設(shè)計(jì)，對(duì)閥芯穩(wěn)定性、調(diào)節(jié)性及運(yùn)動(dòng)性都起決定作用，能有效解決在閃蒸工況時(shí)的閥桿高頻振動(dòng)、噪聲問(wèn)題，還可滿足相應(yīng)較大的執(zhí)行機(jī)構(gòu)推力要求。此外，為了避免高壓黑水對(duì)高壓閃蒸罐的沖擊，在高壓黑水調(diào)節(jié)閥后設(shè)置角閥筒體，用以減緩高壓黑水及閃蒸氣對(duì)高壓閃蒸罐的沖擊。
2 高壓黑水調(diào)節(jié)閥的使用情況
2.1 運(yùn)行工況及參數(shù)
Texaco煤氣化黑水閃蒸系統(tǒng)工藝介質(zhì)是來(lái)自氣化爐及洗滌塔產(chǎn)生的黑水，介質(zhì)流中固體懸浮物和濁度較高，且含有Ca2＋、Mg2+、Cl－、S2－、CO32-、NH4+等多種離子，流經(jīng)黑水調(diào)節(jié)閥時(shí)會(huì)對(duì)閥體及閥內(nèi)件產(chǎn)生沖刷腐蝕；加之調(diào)節(jié)閥前后壓差較大，高溫黑水減壓后瞬間會(huì)發(fā)生汽化，流速急劇增大，更加劇了對(duì)閥體、閥內(nèi)件以及相關(guān)附件的沖蝕磨損。表1為齊魯煤氣化黑水閃蒸系統(tǒng)運(yùn)行工藝參數(shù)。
表1 齊魯煤氣化黑水調(diào)節(jié)閥運(yùn)行參數(shù)
2.2 使用狀況
齊魯煤氣化裝置2008年10月開(kāi)車以來(lái)，高壓黑水調(diào)節(jié)閥故障頻發(fā)，平均使用壽命不足3個(gè)月，且多次發(fā)生因調(diào)節(jié)閥失效導(dǎo)致黑水閃蒸系統(tǒng)臨時(shí)停車處理情況，嚴(yán)重制約煤氣化裝置的穩(wěn)定運(yùn)行；黑水調(diào)節(jié)閥及其相關(guān)附件的泄漏，造成大量黑水外溢，影響煤氣化裝置的現(xiàn)場(chǎng)工作環(huán)境。其失效模式主要表現(xiàn)為閥頭及閥座沖蝕嚴(yán)重，導(dǎo)致調(diào)節(jié)閥功能下降；閥頭與閥桿脫落、斷裂，導(dǎo)致使用性能失效；閥座擴(kuò)散段抗沖蝕能力差，導(dǎo)致閥體、角閥下游筒體、三通以及筒體底蓋沖蝕泄漏等狀況。
3 黑水調(diào)節(jié)閥失效機(jī)理分析
3.1 氣蝕和閃蒸破壞
當(dāng)高溫含固黑水通過(guò)調(diào)節(jié)閥節(jié)流口時(shí)，液體的壓力低于當(dāng)時(shí)液體溫度下相應(yīng)的飽和壓力，而且閥門(mén)后的出口壓力仍然低于相應(yīng)的飽和壓力，所以液體通過(guò)調(diào)節(jié)閥節(jié)流口后，部分液體即發(fā)生汽化，產(chǎn)生兩相流，汽泡有時(shí)合并、破裂和產(chǎn)生蒸汽，形成閃蒸。
氣蝕和閃蒸過(guò)程中由于氣泡破裂會(huì)產(chǎn)生極大的沖擊力損傷調(diào)節(jié)閥的閥內(nèi)件、閥體和管線的下游部分，給調(diào)節(jié)閥和管道的內(nèi)表面造成沖蝕，同時(shí)也降低了調(diào)節(jié)閥的流通能力，尤其在高壓差的情況下，極高硬度的閥芯、閥座也只能使用很短的時(shí)間；另外，氣蝕和閃蒸還會(huì)帶來(lái)閥芯的振動(dòng)，這種振動(dòng)包括垂直振動(dòng)和水平振動(dòng)，分別來(lái)自流體的垂直撞擊和水平撞擊，造成機(jī)械磨損和破壞，調(diào)節(jié)閥控制不可靠，閥桿折斷。
3.2 沖刷腐蝕
沖刷磨損腐蝕是金屬表面與腐蝕流體之間由于高速相對(duì)運(yùn)動(dòng)而引起的金屬損壞現(xiàn)象，是煤氣化裝置黑水、灰水存在氣液固三相介質(zhì)流的循環(huán)系統(tǒng)中*普遍的一種腐蝕機(jī)理。因此，材料的抗沖蝕性能、介質(zhì)流固相懸浮顆粒物的硬度、形狀大小及數(shù)量等都是影響沖蝕行為的主要因素。
3.3 閥內(nèi)件材料的影響
調(diào)節(jié)閥的閥芯閥座以及文丘里擴(kuò)散段等內(nèi)件是受氣蝕或閃蒸破壞*嚴(yán)重的部位，調(diào)節(jié)閥在高壓差、強(qiáng)腐蝕以及高含固顆粒介質(zhì)下工作，金屬與金屬之間的“間隙流動(dòng)”的沖蝕作用不可避免。因此，選用具有堅(jiān)實(shí)的和均勻的細(xì)晶粒結(jié)構(gòu)、變形能大、抗拉強(qiáng)度和硬度均很高、加工硬化性能好、疲勞極限和抗腐蝕疲勞極限強(qiáng)度均很高的特性材料，可以大大提高調(diào)節(jié)閥的使用壽命。
3.4 調(diào)節(jié)閥開(kāi)度的影響
在選擇調(diào)節(jié)閥時(shí)，要選擇合適的額定Cv（調(diào)節(jié)閥額定流量系數(shù)）值，以保證調(diào)節(jié)閥正常開(kāi)度在60%～80%。若開(kāi)度太小，控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)質(zhì)量會(huì)降低，并且會(huì)產(chǎn)生閥內(nèi)的較高阻力降，導(dǎo)致空穴現(xiàn)象或閃蒸；若開(kāi)度太大，當(dāng)負(fù)荷增大時(shí)，無(wú)法進(jìn)行調(diào)節(jié)。一般要求*小工況下閥門(mén)開(kāi)度不應(yīng)小于10%，*大工況下閥門(mén)開(kāi)度不超過(guò)90%，否則會(huì)導(dǎo)致閥門(mén)可控性下降。尤其是在小開(kāi)度情況下，節(jié)流間隙小，高流速的含固流體對(duì)閥內(nèi)件的沖蝕破壞*為嚴(yán)重。因此，高壓黑水調(diào)節(jié)閥應(yīng)盡量避免小開(kāi)度工作；再好的閥門(mén)，若長(zhǎng)期處于小開(kāi)度工作，其壽命也將成倍減小。
3.5 調(diào)節(jié)閥內(nèi)件結(jié)構(gòu)的影響
高壓黑水調(diào)節(jié)閥閥芯與閥桿的連接采用閥桿嵌入閥芯內(nèi)部，銷入固定銷釘并焊接的結(jié)構(gòu)方式。這種連接方式因閥桿嵌入部分較細(xì)且存在銷孔，導(dǎo)致其強(qiáng)度大幅減弱，加之含固流體氣蝕和閃蒸對(duì)閥芯的振動(dòng)沖擊和沖刷腐蝕，造成了閥芯脫落或閥桿斷裂的發(fā)生。
4 改進(jìn)措施
4.1 提高閥內(nèi)件材料的抗沖蝕性能
分析和測(cè)試了齊魯煤氣化裝置使用后的高壓黑水調(diào)節(jié)閥閥芯、閥座，主要成分是碳化鎢（約占92%）和鈷（約占8%），密度約為12.7kg/cm2，硬度（HRC）約為60。同比國(guó)內(nèi)牌號(hào)相當(dāng)于YG硬質(zhì)合金系列，該種碳化鎢材料耐沖刷能力一般，但韌性較好。要提高其耐沖刷能力，就要相應(yīng)提高硬度，提高硬度的途徑：減少合金中鈷的含量和提高模壓過(guò)程中的液壓機(jī)壓力。但減小鈷含量對(duì)碳化鎢的韌性是致命的，必須采用其他辦法來(lái)解決碳化鎢的韌性問(wèn)題，經(jīng)多次試驗(yàn)*終采用適量減少合金中的鈷含量，對(duì)碳化鎢粉末進(jìn)行篩選，將當(dāng)量直徑控制在10μm以下，提高在模壓過(guò)程中分子間結(jié)合力，提高碳化鎢零件的整體力學(xué)性能。
由此性能改良的碳化鎢材料整體燒結(jié)成型的閥芯、閥座（帶文丘里擴(kuò)散段）硬度不小于89，且韌性沒(méi)有明顯降低，具有一定的抗沖擊性能和良好的抗腐蝕性能。
4.2 改進(jìn)閥芯形面及連接方式
通過(guò)對(duì)齊魯煤氣化裝置高壓黑水調(diào)節(jié)閥閥芯形面數(shù)據(jù)復(fù)測(cè)，確定進(jìn)口Masoneilan高壓黑水角閥的流量特性為線性關(guān)系；按照其運(yùn)行數(shù)據(jù)重新計(jì)算，其實(shí)際流量特性曲線介于線性和等百分比之間，且在小開(kāi)度范圍內(nèi)偏差較大。由于含固流體調(diào)節(jié)閥的流量特性曲線為線性*優(yōu)，所以通過(guò)改進(jìn)閥芯形面修正其小開(kāi)度下線性流量特性（圖1），降低氣蝕和閃蒸的發(fā)生，提高調(diào)節(jié)閥運(yùn)行的穩(wěn)定性，減輕流體變化對(duì)閥芯的沖擊。
圖1 改進(jìn)前、后閥芯形面對(duì)比
針對(duì)調(diào)節(jié)閥閥桿與閥芯連接處極易產(chǎn)生疲勞斷裂及脫落的問(wèn)題，實(shí)施連接結(jié)構(gòu)方式改進(jìn)，增強(qiáng)連接強(qiáng)度，提高抵抗振動(dòng)干擾和耐沖蝕能力。改變閥芯結(jié)構(gòu)，閥桿與閥芯連接處加粗，以增大閥芯與閥桿的接觸面積，提高結(jié)合力和抗沖蝕能力；閥芯與閥桿采取螺紋連接加銷釘?shù)慕Y(jié)構(gòu)，即將閥芯擰入閥桿后用電火花或激光打出銷孔，銷入銷釘后同閥桿焊接，提高連接強(qiáng)度，使閥芯脫落和斷裂的問(wèn)題得以徹底解決（圖2）。
圖2 閥芯、閥桿連接方式
4.3 增大調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度
重新核算黑水調(diào)節(jié)閥流通量，調(diào)整其額定Cv值，使調(diào)節(jié)閥正常工作在合理開(kāi)度范圍內(nèi)。以齊魯煤氣化進(jìn)口Masoneilan黑水調(diào)節(jié)閥為例，其額定Cv值為54，調(diào)節(jié)閥正常開(kāi)度維持在25%左右，處于小開(kāi)度狀態(tài)；調(diào)節(jié)閥在此工況下運(yùn)行，會(huì)加劇調(diào)節(jié)閥的氣蝕，加快含固流體介質(zhì)對(duì)閥芯、閥座的沖蝕磨損，也不利于調(diào)節(jié)閥的穩(wěn)定運(yùn)行；從調(diào)節(jié)閥的控制性能上考慮，希望正常工作開(kāi)度在50%～80%，便于操作的平穩(wěn)性。因此，按照黑水調(diào)節(jié)閥的正常工作參數(shù)和運(yùn)行工況，流量特性曲線由線性特性改為拋物線特性，這樣通過(guò)計(jì)算重新確定額定Cv值為25，閥座直徑為32，調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度范圍為49%～74%，正常開(kāi)度為60%。實(shí)際運(yùn)行證明，有效地避免調(diào)節(jié)閥開(kāi)度過(guò)小對(duì)其壽命的影響。
4.4 優(yōu)化文丘里閥座結(jié)構(gòu)
高壓黑水調(diào)節(jié)閥閥座文丘里擴(kuò)散段關(guān)鍵結(jié)構(gòu)尺寸的控制，可以有效地降低空化造成的氣蝕破壞，盡可能使空化發(fā)生在擴(kuò)散段內(nèi)，降低下游管件因空化而產(chǎn)生氣蝕的安全隱患；另外，通過(guò)增加文丘里擴(kuò)散段材料的厚度，提高其抗沖蝕的時(shí)間，達(dá)到長(zhǎng)周期運(yùn)行的效果?；贕B/T2624.3—2006/***5167－3：2003標(biāo)準(zhǔn)文丘里噴嘴的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)進(jìn)口黑水調(diào)節(jié)閥的文丘里閥座結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化（圖3）。按照重新計(jì)算的額定Cv值選取閥座直徑d，喉徑長(zhǎng)度m約0.7～0.75d；閥座弧形入口*大直徑D接近閥體入口通徑；擴(kuò)散角∠β控制在7°～8°。由于文丘里擴(kuò)散段內(nèi)出口流體仍然處于恢復(fù)區(qū)，其實(shí)際長(zhǎng)度L應(yīng)不小于其出口直徑等于入口弧形*大直徑D時(shí)擴(kuò)散段長(zhǎng)度的65%，而不致引起裝置壓力損失的明顯變化；閥座在擴(kuò)散段上增加實(shí)體碳化鎢厚度，由原來(lái)的2mm增加到6mm，以增強(qiáng)抵抗氣蝕磨損的能力，延長(zhǎng)其使用壽命。
圖3 優(yōu)化后的文丘里閥座
4.5 改善工藝運(yùn)行條件
1）嚴(yán)格控制煤質(zhì)，選擇低灰熔點(diǎn)、低灰分原料煤。煤的灰熔點(diǎn)高，導(dǎo)致氣化爐提溫操作，造成黑水系統(tǒng)溫度升高，加劇黑水調(diào)節(jié)閥閃蒸和氣蝕的發(fā)生；灰分含量高，也相應(yīng)造成黑水系統(tǒng)灰渣顆粒含量增加，加劇了對(duì)調(diào)節(jié)閥各部件的沖刷腐蝕。
2）維持氣化系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。加強(qiáng)氣化爐和洗滌塔的工藝操作，杜絕工藝調(diào)整大幅波動(dòng)，減少氣化爐開(kāi)停車次數(shù)。氣化爐開(kāi)停車容易造成黑水系統(tǒng)不穩(wěn)定流體的產(chǎn)生，對(duì)黑水調(diào)節(jié)閥形成強(qiáng)烈振蕩和沖擊，并且閥門(mén)調(diào)節(jié)頻繁，加劇調(diào)節(jié)閥破壞。
3）加強(qiáng)對(duì)黑水調(diào)節(jié)閥的運(yùn)行維護(hù)管理。氣化系統(tǒng)開(kāi)停車時(shí)盡可能維持在較大開(kāi)度，防止因開(kāi)度過(guò)小造成閥前堵塞及閥體局部因流速過(guò)大而磨損；備用調(diào)節(jié)閥要及時(shí)清理干凈，防止閥體內(nèi)積渣堵塞和結(jié)垢的發(fā)生。
5 結(jié)束語(yǔ)
延長(zhǎng)煤氣化黑水調(diào)節(jié)閥的使用壽命是煤氣化裝置長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行的保證，也是煤氣化設(shè)備綜合管理水平的體現(xiàn)。通過(guò)對(duì)齊魯煤氣化高壓黑水調(diào)節(jié)閥的失效原因分析，找到了影響其使用壽命的關(guān)鍵因素并加以改進(jìn)，其平均使用壽命由3個(gè)月提升到6個(gè)月以上，解決了制約煤氣化裝置運(yùn)行的瓶頸。
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