偏心半球阀在水煤浆工况上的应用与研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com) 河南泉舜流体控制科技有限公司 作者:李广军

  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。

偏心半球阀在水煤浆工况上的应用与研究

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。真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为这种情况下流阻系数几乎为零,便能很好地降低能耗。

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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。

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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。

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