煤化工金属耐磨球阀结构改进

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煤化工金属耐磨球阀结构改进一种金属密封耐磨球阀技术领城
本实用新型提供了一种管道控制阀门，特别是一种金属密封耐磨球阀。球阀由于具有流阻小、开关迅速、密封性能好、使用寿命长，便于气控和电控等特点，应用范围广泛。金属密封耐磨球阀是球阀中重要的一类，具有球阀的优点，特别适用于各类颗粒介质，如煤化工装置的煤粉、煤浆、煤渣;有机硅、多晶硅装置的硅粉、硅尘、高温气体;有色金属行业的铝粉、镍粉等金属粉末;同时也适用于电力、钢铁行业的各种恶劣工况。
金属密封耐磨球阀广泛应用于颗粒介质和高压差的恶劣工况下，极容易出现开关动作卡滞、球体和阀座密封不严、密封面被冲蚀及介质从阀杆处泄漏等一系列威胁装置安全的严重问题。本实用新型针对以上问题做了一系列创新的设计，以解决恶劣工况下开关动作卡滞和密封问题。
煤化工是将煤通过热加工和催化加工转化为各种燃料和化工产品的过程。煤化工及煤制油项目首先要进行煤气化，在高温下将煤、焦炭等固体燃料与气化剂反应，转化为气体产物和残渣。煤气化所用的气化剂主要为蒸汽、高压高纯度氧气及其混合气体，气化反应包括了一系列均相与非均相化学反应。所得气体产物因所用原料煤质、气化剂的种类和气化过程不同而具有不同的组成，可分为煤气、半水煤气及水煤气等。在煤化工产业的煤制油、煤制烯烃及大型煤化成套系统中，金属密封耐磨球阀作为一种耐磨损的管路系统截断及流量控制的部件得到了极为广泛的应用。

2 煤化工金属耐磨球阀结构改进煤制油工艺过程
煤制油工艺是以煤炭为原料，通过化学加工方法将固态的煤转化合成为液态的石油燃料产品，其工艺可分为直接液化和间接液化。
2.1 直接液化
直接液化是先将煤炭磨成煤粉与溶剂配制成油煤浆，然后在高温、高压下将煤中复杂的有机高分子结构直接转换为较低分子液体燃料。在精制后制得的油品，其工艺过程见图1。直接液化油回收率高，可达63%～68%，煤消耗量小，生产1t液化油，需消耗洗精煤约2.4t。馏分油以汽、柴油为主，目标产品的选择性相对较高。油煤浆进料，设备体积小，投资和运行费用低。金属密封耐磨球阀结构适用于输送黑水、渣水及水煤浆等含固体颗粒的介质，阀门的球体和阀座用超音速喷涂（HVOF）JK117或阀座堆焊STL12#（D812）硬质合金，大规模生产时，应采用数控研磨中心对球体和阀座实行高精度的研磨。阀杆有防止固体颗粒进入填料函的金属和填料双密封结构。阀座弹簧具有防止灰渣堵塞结构。球阀在其一侧为大工作压力，另一侧为大气压的大压差工况下，完成启闭并保证可靠密封，水压试验的泄漏等级应达到ANSI/FCI70－2的ClassⅤ级。

4煤化工金属耐磨球阀结构改进 球阀性能分析
4.1 浮动球（MOGAS产品）
美国MOGAS双金属阀座浮动球球阀，为介质出口端金属密封，阀杆带轴肩防飞出结构，阀座设计为刮刀式。阀门具有自泄压功能，符合抗静电及防火要求，依据NACEMR－0103进行防腐处理，并按需要配置阀门齿轮箱（图2）。

1.阀杆2.阀杆导向环3.阀杆密封轴承4.填料防护环 5.复合填料6.执行器固装支架7.填料压盖 8.阀杆上的“T”标志9.刻线
图2 MOGAS耐磨球阀阀杆填料结构
（1）通径
采用ANSIB16.34标准规定。
（2）压力等级
阀门的压力等级符合订货规格及工艺管路等级要求，阀体压力等级不低于法兰等级。
（3）连接形式
球阀过程连接为法兰连接或对焊连接，法兰标准依据ANSIB16.5，采用RF法兰连接。对焊连接端部标准依据ANSIB16.25。
（4）结构长度
采用ANSI B16.10标准确定阀的结构长度。
（5）阀体、阀盖
均选用锻件ASTM A105、ASTM A182 F22、A182 F347，对于需要防硫化氢的阀门按照NACE要求进行热处理。
（6）球体、阀座
球体为不锈钢410SS，表面高速氧火焰喷涂碳化铬合金（涂层耐温815℃），硬度64HRC以上，厚度不小于0.3mm。阀座为Inconel718合金，同样采用喷涂碳化铬合金硬化处理。表面高速氧火焰喷涂碳化铬合金再熔融处理（耐温815℃），涂层耐磨不易脱落。球面硬度64HRC以上，厚度不小于0.3mm。球体与阀座手工配对研磨，密封检验完全满足API598标准要求。阀座锋利的边缘可对球体自刮擦自清洁，防止介质进入球体与阀座的密封面而造成内漏和卡塞现象。
（7）碟簧
选用碟形结构弹簧，材料为In-conel718。碟簧的主要作用是为阀座和球体施加一个预紧力，保证球体与阀座紧密结合。当球体、阀座受到热胀发生位移时可有效回缩，防止球体与阀座发生卡塞现象。碟簧后阀座腔倒角处理（角度经流体动力学计算），使固体颗粒不易堆积在阀座后面而影响阀座的有效退让（图3）。（8）阀杆
阀杆材料选用17－4PH或A638－660。阀杆设计为双密封并有轴肩防飞出结构，带弹簧预紧的填料压盖结构。阀杆设置有金属密封轴承和填料双重密封（图4）。 MOGAS耐磨球阀填料及填料压盖结构
（9）填料
由3个模压成型组合纯石墨环（Chesterton5300）和2个有Inconel合金丝编织成的石墨抗挤压环（Chesterton1601）组成，能承受970℃的高温。填料压盖带有预载碟簧，填料压盖可持续压紧填料不致发生外漏现象。
（10）泄漏等级
切断阀的阀瓣和阀座采用金属密封的双向密封形式。金属密封轴承表面硬化处理后手工配对研磨，为压力密封设计，压力越大，密封越紧，可防止固体颗粒进入填料函。泄漏等级符合API598标准要求。

【煤化工金属耐磨球阀结构改进实用新型内容】
为了克服现有技术的缺陷，本实用新型的一个目的在于提供一种金属密封耐磨球阀，球体流道口处采用独特的弧形缺口设计，以降低球阀开关时介质颗粒的流速，同时减小介质颗粒对球体与阀座的冲刷与磨损。
煤制油工艺过程中同时存在气－液－固三相混合物介质，对阀门提出高温、高压、耐磨、耐腐蚀、耐冲刷、抗热循坏和零泄漏等要求。作为全通径、大流量、低流阻、开关方便等优点的金属密封耐磨球阀将获得快速发展，将逐步从低压、常温到高压、高温，促进了球阀应用范围的扩大和发展。浮动球与固定球耐磨球阀各有特点，各种选型原则只是在一般情况下的应用原则。随着阀门生产技术的发展，浮动球球阀将可用于高压力工况，固定球球阀也可以用于含固体颗粒介质工况。高温高压金属密封耐磨球阀在煤化工产业的煤制油、煤制烯烃及大型煤化成套系统中的推广应用，可替代进口的同类产品，提升我国高温高压耐磨球阀的技术水平，有效降低企业的设备采购成本。本实用新型的第二个目的在于提供一种金属密封耐磨球阀，其进口阀座采用了外缘缺口设计，使得阀门前的介质压力可顺利进入阀门中腔，在阀门开关过程中介质流动更加顺畅，动作更加平稳。

本实用新型的第三个目的在于提供一种金属密封耐磨球阀，其阀杆的下端设置有一处圆柱状凸起，作为阀杆与球体的导向限位结构，以避免阀杆与球体之间产生过大的相对线性位移而增加不必要的操作力矩。
本实用新型的第四个目的在于提供一种金属密封耐磨球阀，阀杆处设置两处密封，以充分保证阀杆处的密封，避免介质从阀杆处发生泄漏，同时阀杆与填料箱之间设置有两片高硬度耐磨垫片，从而有效地降低阀杆与填料箱之间的摩擦力矩，避免阀杆发生卡滞。