壳牌煤气化装置中煤粉输送系统特种阀的故障分析及其国产化进展
1、前言
壳牌煤气化装置是通过发送罐工艺将粉煤由氮气加压后密相送入气化炉。发送罐的加料、加压、放料由锁斗阀完成;进入气化炉的粉煤流量由粉煤流量调节阀控制;粉煤在进气化炉或循环回至低压粉煤储罐之间的切换由粉煤给料三通阀控制。上述3种特种阀门均是干煤粉气化装置的关键阀门，但在使用过程中有些阀门出现了一些故障，本文对其中某些故障较严重的阀门做原因分析，指出故障的根本原因，并以图形化的方式表达出来，供阀门国产化参考。
2、锁斗阀
安庆石化选用了BURGMANN锁斗阀。锁斗阀的参数：公称口径300mm，公称压力10.0MPa，
介质为高压N2+粉煤，密封等级V级，阀门每20～30min启闭一次。
图1 BURGMANN锁斗阀的结构示意
BURGMANN锁斗阀是固定轴式硬密封球阀，其结构如图1所示。其阀体为两块式，材质WCB，流道内衬双相钢耐磨套，阀体设吹扫口。球体侧装，上下转轴的凸轮状头部插入球体，转轴由阀盖中的轴套定位。密封副由碟簧预紧的阀前密封型阀座和球体组成，球体和阀座的基材为双相钢ASTM 890 grade4A，密封面喷焊镍基合金，硬度HRC60;阀座带刮扫刃，防止固体颗粒进入密封面。阀门配双作用气动执行器。
锁斗阀运行1年后多次出现故障。根据企业统计：2007年1月～2009年8月，4台粉煤线锁斗阀共出现故障54次。
2007～2009年，锁斗阀每年的平均故障率(每年的故障次数比装置每年的运行天数)如图2所示。
图2 每年的平均故障率
2007～2009年，各种类型的故障占总故障次数的比例如图3所示。
图3 各类故障比例
BURGMANN锁斗阀的故障原因分析如图4所示。由图4看出，阀门的气缸支架强度不足、阀杆与轴套之间的间隙容易进粉、执行器扭矩不足是锁斗阀故障的根本原因。
图4 锁斗阀故障的原因关系分析
国产化锁斗阀应该采用进口密封型固定轴球阀，此种结构球阀的启闭扭矩受阀门进出口压差的影响小;密封副表面硬度要达到HRC58-60，硬化层与基体金属要焊接连接，防止硬化层脱落;阀座与阀体之间的弹簧腔应防止煤粉进入，以免煤粉塞实影响弹簧的补偿以及阀座与球体的对中;可以在阀杆与阀盖之间的间隙通入压力稍高于介质压力的氮气，以防止煤粉进入;气动头的输出扭矩应该是计算值的2～2.5倍。
3、粉煤给料三通阀
安庆石化选用了BCH粉煤给料三通阀，粉煤给料三通阀的公称直径65mm，公称压力10.0MPa，介质为N2+粉煤，气开弹簧复位，换向时间小于5s。
阀门为旋塞开关阀，其工作原理如图5所示。阀体一进两出，材料为WCB;转子设平行双通道，材料为双相钢ASTM 890 Grade4A;阀体和转子精密配合，配合表面硬化处理。转子逆时针转动30°，煤线接通，循环线关闭;转子顺时针转动30°，循环线接通，煤线关闭。转子驱动系统由90°标准气动头和齿数比为1:3的内啮合齿轮组合而成，内啮合齿轮可将标准气缸的90°输出角转化为30°，并放大气缸扭矩。
(a)煤线接通，循环线关闭
(b)循环线接通，煤线关闭
图5 粉煤三通阀换向原理示意
粉煤给料三通阀在使用过程中出现了卡涩现象，分析认为转子的偏磨和阀体与转子之间的间隙进粉是阀门卡涩的主要原因。
粉煤给料三通阀国产化时，应该考虑采用固定轴转子，阀门气动装置输出扭矩值应该是计算值的2～3倍，气动装置气路的设计应保证2～3s的换向时间。
4、粉煤流量调节阀
安庆石化选用了SchuF粉煤流量调节阀，阀门公称直径65mm，公称压力10.0MPa，密封等级为IV级，介质为N2+粉煤，阀芯由弹簧开气动直行程执行器驱动，阀门Cv值70，流量特性为近似等百分比。
阀门为角式调节阀，结构如图6所示。阀门进口垂直向下，出口与进口夹60°角斜向下，气动直行程执行器倒置。杯状阀芯的杯口向上，其侧壁开槽，进口流入的粉煤垂直落入阀芯杯口，通过阀芯侧壁的开槽，斜向下流出阀门。阀芯上下移动，通过改变开槽的遮挡面积，从而改变粉煤流量。阀芯由阀杆拖动，阀杆防转，用波纹管密封，阀盖加吹气，防止因粉煤沉积而引起的波纹管卡涩。阀体内衬和阀芯均采用碳化钨防止磨损。
图6 粉煤流量调节阀结构示意
粉煤流量调节阀使用情况良好。操作时，应始终保持一定气量的上盖吹气，防止阀门运行时煤粉大量沉积在阀盖底部，影响波纹管位移;阀芯侧壁开槽形状合适，让阀门工作开度尽量大，以便降低节流处煤粉流速，延长阀门内件寿命。
5、结语
2007年4月，国产粉煤三通阀在安庆石化上线运行，目前运行情况良好。2009年，国产锁斗阀开始在企业使用，基本满足生产需要，需注意的是，锁斗阀阀杆带吹气在防止煤粉进入阀杆配合间隙的同时会导致阀杆密封填料始终受高压作用，影响阀杆填料的寿命;粉煤流量调节阀运行情况良好，但长期运行导。
