偏心半球閥在水煤漿工況上的應(yīng)用與研究

　　針對(duì)水煤漿工況條件下使用的偏心半球閥的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析和研究，從偏心半球閥的耐磨性、密封面結(jié)構(gòu)及閥門結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，闡述了偏心半球閥密封面材料配對(duì)形式的選擇及機(jī)械加工工藝要求。
 

　　一、前言
 

　　水煤漿是一種新型的潔凈液體燃料，是潔凈煤技術(shù)的重要組成部分。自問世以來以其具有的代油節(jié)能、高效燃燒和低污染等諸多優(yōu)點(diǎn)備受各國(guó)企業(yè)的青睞，但是水煤漿在制造前后具有腐蝕性強(qiáng)、沖蝕強(qiáng)以及顆粒硬度高等特點(diǎn)。我國(guó)的水煤漿技術(shù)已完成了實(shí)驗(yàn)室和工業(yè)性試驗(yàn)階段，目前已在大中型電站鍋爐上成功應(yīng)用，并取得了比較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
 

　　二、水煤漿系統(tǒng)中閥門失效分析
 

　　由于水煤漿系統(tǒng)工況條件比較惡劣，目前在水煤漿系統(tǒng)使用的閥門多以進(jìn)口球閥居多，由于球閥是由旋塞閥演變而來的，它的啟閉件為一個(gè)球體，利用球體繞閥桿的軸線旋轉(zhuǎn)90°實(shí)現(xiàn)開啟和關(guān)閉的目的，在開啟和關(guān)閉的過程中，閥球和閥座密封面一直處于接觸狀態(tài)，在這種含有細(xì)粉顆粒的工作介質(zhì)中，密封副之間無法避免會(huì)有顆粒物質(zhì)進(jìn)入，在頻繁啟閉時(shí)，密封副很可能會(huì)出現(xiàn)破壞現(xiàn)象，導(dǎo)致密封失效，甚至?xí)霈F(xiàn)閥球卡死現(xiàn)象。但是這種進(jìn)口球閥昂貴，制造周期長(zhǎng)，零配件供應(yīng)不及時(shí)，維修不方便，一旦發(fā)生故障，可能會(huì)造成系統(tǒng)停車。根據(jù)工況要求和降低客戶運(yùn)行成本，研制出了管線輸送水煤漿系統(tǒng)工況下使用的偏心半球閥。
 

　　三、偏心半球閥結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及工作原理
 

　　1、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
 

　　根據(jù)水煤漿工況條件，適用于有腐蝕性、顆粒硬度高工況的新型硬密封偏心半球閥具有很多特點(diǎn)。
 

　　(1)耐腐蝕
 

　　能滿足石油化工等行業(yè)對(duì)腐蝕性能的特殊要求。
 

　　(2)雙向密封
 

　　能保證閥門的雙向密封，使閥門的密封性能提高，保證介質(zhì)逆向流動(dòng)的密封性能，為防止水煤漿倒流提供安全保障，同時(shí)為在線搶修提供可靠的保障。
 

　　(3)清洗方便
 

　　由于水煤漿是一種分別由質(zhì)量分?jǐn)?shù)為不到70%的煤粉、30%的水分以及另加不到1%的化學(xué)添加劑(分散劑和穩(wěn)定劑)制備成的煤基液態(tài)燃料。在系統(tǒng)檢修停車時(shí)，停留在閥門和管道內(nèi)的煤漿介質(zhì)，極易沉積煤粉顆粒，這樣會(huì)導(dǎo)致閥門開車時(shí)，無法正常打開。因此在閥體上設(shè)有清洗口和排污口，此種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)沖洗閥門防止啟閉卡死起到至關(guān)重要的作用。
 

　　(4)耐沖蝕
 

　　在密封副上不僅堆焊了具有耐蝕性、耐高溫、耐磨性能好的鈷基合金，密封面堆焊厚度t≥3mm，硬度≥55HRC，而且還在閥腔過流面上噴涂高耐磨性的WC，使得密封副和閥門過流表面硬度≥65HRC，這樣使得閥門具有更好的耐磨性和耐沖刷性能。偏心半球閥(見圖1)在全開位置具有低流阻，流阻系數(shù)幾乎為零。
 

圖1 偏心半球閥三維圖
 

　　采用Ansys有限元分析軟件，對(duì)半球閥開度為100%時(shí)進(jìn)行了流體域的模擬分析，如圖2所示，最高速出現(xiàn)在進(jìn)口處紅色部分，整體流道速度分布梯度較小，幾乎維持在中間區(qū)域，圖中數(shù)值與對(duì)應(yīng)顏色比較得出過流比較順暢，流速分布較均勻，整個(gè)流態(tài)比較平穩(wěn)，上下兩側(cè)幾乎成對(duì)稱態(tài)勢(shì)，整個(gè)流道內(nèi)流速無明顯增加，壓力局部損失明顯減小。流場(chǎng)的最高流速?zèng)]有出現(xiàn)在閥座密封面處。閥瓣密封面處介質(zhì)流速很低，這樣閥瓣的磨損較小，如果結(jié)合壓力分布圖分析，局部壓力梯度明顯減少。這種情況下流阻系數(shù)幾乎為零，便能很好地降低能耗。
 

　　2、工作原理
 

　　偏心半球閥的閥體和閥芯回轉(zhuǎn)中心(即閥桿軸線)與閥芯的密封球面的幾何中心偏置一個(gè)徑向尺寸e(見圖3)，還與閥座密封面在閥體通道軸線上有個(gè)偏置尺寸，偏心半球閥依靠?jī)蓚€(gè)偏心實(shí)現(xiàn)自鎖關(guān)閉，偏心的合理選配使得自鎖角小于摩擦角，自鎖角選得太小關(guān)閉容易，開啟特困難，角度選大了，雖然開啟力小，但關(guān)閉力矩迅猛增加，經(jīng)試驗(yàn)臺(tái)的反復(fù)試驗(yàn)，確定兩個(gè)搭配合理的偏心量至關(guān)重要，可靠的自鎖性能確保其密封嚴(yán)密。這是半球閥的核心技術(shù)，從結(jié)構(gòu)原理通過制造手段來實(shí)現(xiàn)最佳密封效果。
 

　　四、密封面材料配對(duì)和加工工藝
 

　　密封副材料的配對(duì)的選擇直接關(guān)系到閥門的性能和使用壽命，根據(jù)機(jī)械加工工藝和熱處理?xiàng)l件。選擇閥瓣表面噴涂WC和閥座密封面堆焊司太立合金的形式比較理想。這種配對(duì)可以實(shí)現(xiàn)閥瓣的密封面的硬度大于閥座處的硬度，能滿足高溫高壓和頻繁開啟的應(yīng)用場(chǎng)合。由于閥座密封面處堆焊司太立較厚，抗咬合性能較好。
 

　　零件的加工精度對(duì)密封可靠性的提高起到關(guān)鍵性作用，尤其是對(duì)閥瓣和閥座的加工顯得更加重要。閥瓣密封面處噴涂WC后需要有專用的研磨機(jī)磨削加工，閥座堆焊后采用數(shù)控機(jī)床加工成與閥瓣相同的SR值的圓弧曲面。當(dāng)閥瓣和閥座密封面達(dá)到一定精度時(shí)，兩者進(jìn)行配對(duì)研磨。
 

　　五、結(jié)語(yǔ)
 

　　上裝式偏心半球閥的密封性能、經(jīng)濟(jì)性能和節(jié)能降耗性能與球閥相比較，*性已顯得十分突出。其整體結(jié)構(gòu)緊湊，可以在線維修，閥瓣與閥座使用密封性好、密封壓力大。密封面間磨損小，使用壽命長(zhǎng)，氣動(dòng)或電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)靈活，易于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和自動(dòng)化(可直接進(jìn)入DCS控制系統(tǒng))，工作可靠，大大降低現(xiàn)場(chǎng)的勞動(dòng)強(qiáng)度。