偏心半球阀在水煤浆工况上的应用与研究

闪电风暴

　　针对水煤浆工况条件下使用的偏心半球阀的结构进行了分析和研究，从偏心半球阀的耐磨性、密封面结构及阀门结构进行分析，阐述了偏心半球阀密封面材料配对形式的选择及机械加工工艺要求。
一、前言　　水煤浆是一种新型的洁净液体燃料，是洁净煤技术的重要组成部分。自问世以来以其具有的代油节能、高效燃烧和低污染等诸多优点备受各国企业的青睐，但是水煤浆在制造前后具有腐蚀性强、冲蚀强以及颗粒硬度高等特点。我国的水煤浆技术已完成了实验室和工业性试验阶段，目前已在大中型电站锅炉上成功应用，并取得了比较好的经济效益和社会效益。
二、水煤浆系统中阀门失效分析　　由于水煤浆系统工况条件比较恶劣，目前在水煤浆系统使用的阀门多以进口球阀居多，由于球阀是由旋塞阀演变而来的，它的启闭件为一个球体，利用球体绕阀杆的轴线旋转90°实现开启和关闭的目的，在开启和关闭的过程中，阀球和阀座密封面一直处于接触状态，在这种含有细粉颗粒的工作介质中，密封副之间无法避免会有颗粒物质进入，在频繁启闭时，密封副很可能会出现破坏现象，导致密封失效，甚至会出现阀球卡死现象。但是这种进口球阀昂贵，制造周期长，零配件供应不及时，维修不方便，一旦发生故障，可能会造成系统停车。根据工况要求和降低客户运行成本，研制出了管线输送水煤浆系统工况下使用的偏心半球阀。
三、偏心半球阀结构特点及工作原理　　1、结构特点
　　根据水煤浆工况条件，适用于有腐蚀性、颗粒硬度高工况的新型硬密封偏心半球阀具有很多特点。
　　(1)耐腐蚀
　　能满足石油化工等行业对腐蚀性能的特殊要求。
　　(2)双向密封
　　能保证阀门的双向密封，使阀门的密封性能提高，保证介质逆向流动的密封性能，为防止水煤浆倒流提供安全保障，同时为在线抢修提供可靠的保障。
　　(3)清洗方便
　　由于水煤浆是一种分别由质量分数为不到70%的煤粉、30%的水分以及另加不到1%的化学添加剂(分散剂和稳定剂)制备成的煤基液态燃料。在系统检修停车时，停留在阀门和管道内的煤浆介质，极易沉积煤粉颗粒，这样会导致阀门开车时，无法正常打开。因此在阀体上设有清洗口和排污口，此种结构设计对冲洗阀门防止启闭卡死起到至关重要的作用。
　　(4)耐冲蚀
　　在密封副上不仅堆焊了具有耐蚀性、耐高温、耐磨性能好的钴基合金，密封面堆焊厚度t≥3mm，硬度≥55HRC，而且还在阀腔过流面上喷涂高耐磨性的WC，使得密封副和阀门过流表面硬度≥65HRC，这样使得阀门具有更好的耐磨性和耐冲刷性能。偏心半球阀(见图1)在全开位置具有低流阻，流阻系数几乎为零。

图1 偏心半球阀三维图

　　采用Ansys有限元分析软件，对半球阀开度为100%时进行了流体域的模拟分析，如图2所示，最高速出现在进口处红色部分，整体流道速度分布梯度较小，几乎维持在中间区域，图中数值与对应颜色比较得出过流比较顺畅，流速分布较均匀，整个流态比较平稳，上下两侧几乎成对称态势，整个流道内流速无明显增加，压力局部损失明显减小。流场的最高流速没有出现在阀座密封面处。阀瓣密封面处介质流速很低，这样阀瓣的磨损较小，如果结合压力分布图分析，局部压力梯度明显减少。这种情况下流阻系数几乎为零，便能很好地降低能耗。

图2 偏心半球阀100%开度时流场速度面域分布

　　2、工作原理
　　偏心半球阀的阀体和阀芯回转中心(即阀杆轴线)与阀芯的密封球面的几何中心偏置一个径向尺寸e(见图3)，还与阀座密封面在阀体通道轴线上有个偏置尺寸，偏心半球阀依靠两个偏心实现自锁关闭，偏心的合理选配使得自锁角小于摩擦角，自锁角选得太小关闭容易，开启特困难，角度选大了，虽然开启力小，但关闭力矩迅猛增加，经试验台的反复试验，确定两个搭配合理的偏心量至关重要，可靠的自锁性能确保其密封严密。这是半球阀的核心技术，从结构原理通过制造手段来实现最佳密封效果。

图3 偏心半球阀示意

四、密封面材料配对和加工工艺　　密封副材料的配对的选择直接关系到阀门的性能和使用寿命，根据机械加工工艺和热处理条件。选择阀瓣表面喷涂WC和阀座密封面堆焊司太立合金的形式比较理想。这种配对可以实现阀瓣的密封面的硬度大于阀座处的硬度，能满足高温高压和频繁开启的应用场合。由于阀座密封面处堆焊司太立较厚，抗咬合性能较好。
　　零件的加工精度对密封可靠性的提高起到关键性作用，尤其是对阀瓣和阀座的加工显得更加重要。阀瓣密封面处喷涂WC后需要有专用的研磨机磨削加工，阀座堆焊后采用数控机床加工成与阀瓣相同的SR值的圆弧曲面。当阀瓣和阀座密封面达到一定精度时，两者进行配对研磨。
五、结语　　上装式偏心半球阀的密封性能、经济性能和节能降耗性能与球阀相比较，优越性已显得十分突出。其整体结构紧凑，可以在线维修，阀瓣与阀座使用密封性好、密封压力大。密封面间磨损小，使用寿命长，气动或电动执行机构运动灵活，易于实现远程控制和自动化(可直接进入DCS控制系统)，工作可靠，大大降低现场的劳动强度。