粉煤锁斗阀故障原因分析及解决方案

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)中国石化集团宁波技术研究院 作者:章晨晖

  针对球阀作为锁斗阀时无法从根本上解决运行中出现的内泄漏和卡涩/憋压等故障的缺点,提出了一种新型结构的阀门)))盘阀,并结合其结构特点阐述了盘阀作为锁斗阀的优越性。同时,在研究Shell粉煤气化装置粉煤锁斗阀的选型基础上,分析了球阀作为锁斗阀发生故障的原因和机理。实际使用情况表明,采用盘阀替代球阀作为锁斗阀可以保证锁斗系统的长周期稳定运行。

  在Shell粉煤气化装置中,粉料的处理和输送大量地采用了锁斗技术,包括粉煤的加压输送、除灰和除渣等系统。在这些系统中,锁斗阀无一例外地选用了球阀。由于锁斗系统的操作是一个压力交变过程,阀门的操作条件比较恶劣,因此,锁斗阀在运行中故障率比较高,给装置的平稳运行造成了困难。在所有的锁斗阀中,粉煤锁斗阀的操作条件尤为苛刻,故障频率也较高,这已经成为制约粉煤气化装置长周期运行的瓶颈。

1、粉煤锁斗阀的操作条件和选型

1.1、粉煤锁斗阀的操作条件

  粉煤锁斗阀的操作介质为粉煤和氮气,其中90wt%的粉煤粒度≤90μm。它的操作条件如下:操作温度80℃ ,操作压力4.7~0.02MPa,阀门开启/关闭时的压差0.2~0.3MPa,开启/关闭次数为2次/h,阀门动作(开启或关闭)时间≤15s。

1.2、粉煤锁斗阀的选型

  粉煤具有易粘附和磨蚀等特性,尤其是在有气体存在的情况下,这种特性表现得更为突出。针对此特性和锁斗阀的操作条件,Shell粉煤气化装置选用了气缸推动的金属硬密封球阀作为粉煤锁斗阀,阀体材质采用碳钢,球体、阀座和阀杆等内件的材质则采用双相不锈钢衬Stellite合金。

2、锁斗阀故障原因分析

  从实际使用效果来看,金属硬密封球阀不是很令人满意。国产球阀通常在使用1500h后就会发生故障而影响使用;而由世界顶级制造商供货,如Burgmann和Argus公司生产的球阀,使用寿命也就在6000h左右。锁斗阀故障最突出的表现就是内泄漏和卡涩现象。

2.1、内泄漏原因分析

  阀门内泄漏的产生与工艺介质的性质、运行条件、密封面喷涂层材料的选择、密封面及辅助密封结构的设计等诸多因素有着直接的关系。在工业生产中,阀门内泄漏的产生主要有两个原因:一是密封面硬质合金之间的粘结;二是介质对密封面的冲刷。

  研究表明,采用硬质合金作密封面的阀门,在密封面硬质合金之间都存在不同程度的粘结现象,即硬密封面之间硬质合金的微焊接现象。硬质合金的选取如果不合适,密封面之间就会产生严重的粘结,阀门在启闭时就会撕坏密封面,从而损坏密封区域。生产操作中阀门开启的瞬间,由于上下游的压差相对较高,流通间隙较小,造成介质流速较快,如果此时介质中含有固体颗粒,就会对阀门的密封面产生强烈的磨蚀和冲刷。随着阀门开启次数的增加,密封面将因磨蚀的积累而逐渐失效,最终导致阀门内泄漏。

  单纯磨损造成密封面失效很少见,绝大部分的阀门内泄漏都是这两个因素共同作用的结果。粉煤锁斗阀的密封面失效正是这样一个过程:首先是硬质合金的粘结造成密封面撕坏,阀门开启时介质的冲刷加剧了密封面的损坏,最终造成了阀门的内泄漏。

  某装置现场故障阀门的解体情况充分证明了上述分析,故障阀门的球体已不再是一个光滑均匀的球体,球体的主密封面由于强烈的磨蚀和冲刷被削去了厚厚的一层,而在它的周围则是磨蚀冲刷形成的很多凹槽,球体整体看上去就像熔融的金属凝固后形成的不规则形状。

  经过部分阀门供货商的研究分析和材料试验,证实密封面的涂层材料并非是越硬越好,也不可能有所谓最佳的适用于所有场合的某一种涂层材料。根据工艺介质条件和操作要求,选择合适的硬质涂层避免密封面粘结,并采用合理的密封面结构才是最佳的解决方案。

2.2、卡涩“憋压”机理分析

  锁斗阀的卡涩现象主要与双球阀串联造成的“憋压”以及密封面硬质合金的粘结有关。在分析锁斗阀的卡涩“憋压”机理前,首先了解一下锁斗系统的操作原理。粉煤锁斗系统的流程示意图如图1所示。

粉煤锁斗系统流程示意图

图1 粉煤锁斗系统流程示意图

  在这个系统中,粉煤储罐为低压系统,粉煤给料罐为高压系统,锁斗为高压-低压交变系统,粉煤由低压变高压、完成连续给料就是通过锁斗的反复加压→y放料→泄压→进料→加压这样一个循环交变的过程实现的。首先,锁斗处于低压状态,并与粉煤储罐联通,将低压粉煤由粉煤储罐放入锁斗,待锁斗装满粉煤后,即与粉煤储罐切断隔离;然后,采用高压氮气对锁斗进行加压,直至与粉煤给料罐的压力相同时,打开锁斗阀1、2,联通锁斗与粉煤给料罐,将锁斗内的粉煤放入粉煤给料罐中,待锁斗内的粉煤全部送入粉煤给料罐后,关闭锁斗阀,并将锁斗内的氮气排空、泄压,直至锁斗内的压力与粉煤储罐压力相当时,重新联通锁斗与粉煤储罐,进行下一次的放料循环过程。

  下面结合粉煤锁斗系统的操作说明,分别针对浮动球和固定球两种形式的球阀分析/憋压0产生的机理。

2.2.1、浮动球球阀“憋压”机理分析

  若图1中的锁斗阀1、2采用浮动球结构,其机理如下。在锁斗向粉煤给料罐放料结束后,关闭锁斗阀1、2,此时,粉煤给料罐、锁斗以及锁斗阀1/2之间的管道均处于高压状态,而粉煤储罐则处于低压状态。在锁斗与粉煤储罐联通前,锁斗先要泄压,直至与粉煤储罐的压力相同。在泄压过程中,锁斗阀1的浮动球在下游压力的作用下向上浮动,贴紧上密封面[6],由于锁斗阀1、2之间的管道空间十分狭小,贴紧的上密封面一旦有丝毫的泄漏发生,锁斗阀1、2之间管道内留存的高压氮气就会经泄漏区迅速进入锁斗内;随着锁斗泄压的进行,最终锁斗阀1、2之间的管道就会和锁斗一样,均处于低压状态。而当锁斗进料结束准备向粉煤给料罐放料时,则先要对锁斗加压,直至锁斗与粉煤给料罐的压力相同。在压力逐渐升高的过程中,锁斗阀1的浮动球在压力的作用下脱离原先贴紧的上密封面,转而向下密封面浮动[6],而且随着锁斗内压力的不断升高,锁斗阀1的下密封面在压力助封的作用下会越压越紧。这样,在锁斗加压结束后,锁斗阀1的上游粉煤给料罐以及锁斗阀2的下游就处于高压状态,而锁斗阀1、2之间则形成了一个低压区,其结果是锁斗阀1、2的开启压差达到了4.7MPa,这远远高于0.2MPa的设计值,最终造成了锁斗阀的卡涩/憋压0,无法开启。

2.2.2、固定球球阀“憋压”机理分析

  当锁斗阀1、2采用固定球结构时,与前述工艺过程一样,锁斗放料结束后也要进行泄压。在泄压的过程中,锁斗阀1的下阀座在下游压力的作用下向上浮动,贴紧阀球,此时下阀座与阀球的密封起作用。如果锁斗阀1的下阀座密封面一旦有泄漏发生,锁斗阀1、2之间管道内留存的高压氮气就会经由泄漏区迅速进入锁斗内,并最终与锁斗一样,均会泄压至低压状态。而当锁斗进料结束加压时,随着压力的逐渐升高,锁斗阀1的上阀座在上游压力的作用下贴紧阀球,下阀座则与阀球脱离,并且随着上游压力的不断升高,锁斗阀1的上阀座与阀球的密封面会越压越紧,最终造成了锁斗阀1、2之间形成低压区,从而造成锁斗阀1、2的开启压差达到了4.7MPa,这远远高于0.2MPa的设计值,导致锁斗阀发生卡涩/憋压0而无法开启。

  值得一提地是,这样的卡涩“憋压”并不仅仅发生在锁斗与粉煤给料罐之间的双球阀,锁斗与粉煤储罐之间的双球阀同样会发生卡涩“憋压”,甚至于平衡管线上的串联双球阀也会产生卡涩“憋压”。

  内泄漏和卡涩“憋压”这两种现象既相互作用又相互影响,在恶性循环中严重缩短了球阀的寿命。卡涩“憋压”故障发生时,球阀在开启的最初阶段很不顺畅,步进特征明显,往往是阀球转一点停顿一下,再转一点,再停顿一下。而在这种情况下,固体物料对密封面的冲刷非常厉害(硬度再高的硬质合金也很难经受这样的冲刷),这样剧烈的冲刷往往在一两周内就会造成阀门根本无法开启,或者造成密封面受损、内漏严重,以致无法继续使用。可以说,锁斗阀的卡涩“憋压”等故障已经成为制约锁斗系统正常运行的最主要因素。

3、解决方案

  从上述分析可以看出,造成锁斗阀出现故障进而影响锁斗系统正常运行的根本原因是阀门结构形式的问题,即球阀的这种双密封面结构造成了上述问题,这是球阀自身难以克服的问题和缺点。因此,采用球阀作为锁斗阀是存在致命缺陷的。

  要彻底解决锁斗阀的问题,就必须寻找出一种全新的、更适合用于处理粉料的阀门类型。目前,国内的阀门制造商上海富泰斯公司开发出了一种独特的平面密封阀门--盘阀,并已在国内硅化工的粉料处理系统中取代了球阀,得到了广泛的应用;且其作为锁斗阀应用于Shell粉煤气化装置中,取得了不错的效果。盘阀的密封性、可操作性和寿命均已超过进口球阀,从硅化工装置中使用的效果来看,它的免维护运行时间可达世界顶级球阀的3~4倍,甚至更长。这对提高装置的连续运行时间是一个有力的保障。

3.1、盘阀的基本密封原理

  盘阀实质上是一种平面密封的硬密封阀门,其工作原理如图2所示。盘阀是通过阀盘在阀腔内的滑动来实现开关的一种阀门,驱动装置通过阀杆与摇臂使阀盘转动一定的角度来实现阀门的开启或关闭。阀盘密封面借助弹簧与阀座紧密贴合,弹簧压力迫使阀盘始终紧密贴合在阀座上,同时又允许阀盘在密封面的垂直方向上有微小的位移,这有助于补偿阀门零件由于热胀冷缩而引起的形变和多次开关后的微量磨损,克服任何背压变化对密封的影响并能防止颗粒介质进入密封面之间。在阀门启闭的过程中,阀盘不仅围绕主轴公转,而且由于阀座密封面对阀盘在切线方向上的摩擦力使阀盘产生自转,这样的自转使得阀盘每次接触物料的点都不同,所以无论是冲刷还是磨损都是均匀的;且这种自转使得阀盘与阀座之间形成自研磨,这对于密封面具有良好的补偿效果。

盘阀工作原理图

图2 盘阀工作原理图

3.2、整体解决方案

  结合锁斗的工艺运行特点,盘阀着重采取了以下措施。首先,在密封面的材料选择上,针对煤粉介质的特点,选择了相应的硬质合金材料,硬质合金材料对于煤粉基本上不粘结,同时具有良好的韧性和可重复性,非常耐受煤粉的冲刷和磨损。采用此材料加工的密封面不仅具有一定的硬度,而且很好地解决了密封面之间硬质合金粘结的问题。其次,阀门的结构上采取了独特的设计,阀门的腔体上设置了吹扫口,可以对阀腔实现吹扫,减少物料在阀腔内的堆积;阀轴采用无螺纹设计,而且阀轴只有转动,没有上下的平动,这样可大大减少填料的磨损,增加了使用寿命;阀盘被高性能弹簧压迫在密封阀座上,对于磨损具有很好的补偿;阀盘的边缘非常锋利,相当于给阀盘加装了刮刀,而且这个刮刀在切割密封面上残留的物料时,具有切向平动和轴向转动的双作用,完全不同于常规球阀刮刀的单一平动作用,效果要比常规的球阀刮刀好很多[7]。

3.3、盘阀作为锁斗阀的优越性

  作为锁斗阀,盘阀的优越之处主要体现在三个方面,即密封面的材料、阀体的结构和密封型式。全新研发的硬质合金材料作为密封面,解决了密封面硬质合金的粘结问题;同时,硬质合金材料对于煤粉基本上不粘结,并耐受煤粉的冲刷和磨损。

  阀门独特的结构使其带有“压力自泄放”功能,即当阀腔内的压力升高时,压力会自然泄放,从而保证阀门的开启压差永远不会升高,这样就从根本上杜绝了“憋压”的可能性,这是盘阀用于锁斗阀最独特的优势。此外,由于阀体上设置了吹扫口,所以阀腔内的残留物非常少;且吹扫过程中对盘阀的密封面没有影响,仅仅影响阀内件。这和球阀的吹扫有很大的不同,球阀的吹扫基本上是沿着阀球的切线方向,混杂固体颗粒的吹扫气对于密封面是有影响和破坏的。

  盘阀的密封面垂直于流体方向,由于不存在大角度的散射,其对阀腔内壁的冲刷比球阀弱得多。同时,由于盘阀的阀盘被弹簧压迫在阀座上,当上下游压差保持在弹簧允许的范围内时,阀盘是不会脱离阀座的,而当下游压力高于上游时,压力助封迫使阀盘更加贴紧阀座,泄漏的可能性更小。

3.4、实际应用例证

  2009年9月初,盘阀在云南大为制氨有限公司的Shell粉煤气化装置中得到了应用。盘阀作为锁斗阀取代了原先经常发生故障的两台进口球阀,迄今已平稳运行了六个多月,共计4500多个小时,阀门未出现内泄漏和卡涩等故障,阀门开关过程始终平稳、顺畅,有力地保证了粉煤锁斗系统的长周期稳定可靠运行。

  2010年2月底,煤气化装置停车期间,对此阀进行了拆检。从拆检的情况看,阀门在开关了7000多次后,阀盘和阀座密封面仍完好无损伤,密封区域光滑平顺无划痕,阀腔内部未见煤粉残留堆积,阀门的其余内件也没有明显的冲蚀和磨损痕迹,阀门的各项功能指标均在设计值的正常范围内。拆检结果有力地证明了盘阀替代球阀作为锁斗阀的优越性。

4、结束语

  作为锁斗阀,球阀在运行中经常出现内泄漏和卡涩/憋压0等故障,这是由球阀的结构形式--密封面结构造成的,仅仅对球阀本身进行改进已无法解决这些问题,因此球阀作为锁斗阀存在难以克服的缺陷。而作为替代产品,无论是从密封面的材料选择,还是从阀体的结构和密封型式上看,盘阀都具有球阀无法比拟的优越性,其先进的平面密封理念和独特结构有效地解决了锁斗阀运行中易出现的问题。实际使用效果也证实了盘阀作为锁斗阀的可靠性和优越性,采用盘阀作为锁斗阀可以有效地提高锁斗系统的运行水平。

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