煤化工用黑水调节阀的研制

1 概述
        在煤化工系统中高压闪蒸罐、真空闪蒸罐及高闪罐顶分离器等系统设备上的阀门使用工况苛刻，流体介质主要为高温的黑水、渣水及灰水。黑水、渣水及灰水含有氯离子、氨、钾盐、硫化氢或磷酸等强腐蚀介质，并且阀门前后压差大。在节流口，流体介质混杂着硬质颗粒高速流动，具有强大的动能，阀门的阀芯或阀座等表面很快被冲出流线形的细槽，形成侵蚀，同时有阻塞流发生，高速流体产生闪蒸或空化。介质在阀腔内的聚泡爆裂过程，会释放很大的能量，对阀体内部及节流元件等零件产生强力破坏，形成气蚀。对于阀门性能要求必须达到耐高腐蚀、耐高冲刷和耐高温度的要求。传统的工艺管线上主要采用进口的结构形式为偏心旋转调节阀，其结构耐腐蚀、耐高温性能好，但是耐冲刷性能差。其阀芯、阀座及阀体流道等喷涂碳化钨处理，其寿命约为3个月，而国内产品仅仅使用半个月左右。受此影响，装置运行需要频繁地更换阀门，既浪费工时又加大了生产成本。为此研制开发了文丘里黑水调节阀（黑水调节阀产品号：ZL20102018665310）。
        2 技术参数
        公称通径 变径进口10in（250mm）
                 出口28in（700mm）等
        公称压力 ANSI900LB
        工作介质 黑水、渣水、灰水等
        流量特性 等百分比
        泄漏等级 ANSIB104IV
        可调比 50
        内件材料 特殊碳化钨整体烧结
        工作温度 200-425°C
        3 型式选择
        煤化工系统原工艺选择偏心旋转调节阀，虽然能够满足工艺要求，但是偏心旋转调节阀的结构型式决定其耐冲刷能力差。传统的单座阀门允许前后压差小，无法满足压差要求。如果是清洁介质，套筒阀将是的阀门，但是由于介质含有大量固体颗粒的原因无法使用。zui终确定特殊种类的单座角式调节阀，既有传统单座阀的优点，又有套筒阀的耐压差大和能量冲击消耗的特点，并且是有清洁作用的高进低出阀门，设计了特殊种类的文丘里黑水调节阀。
        4 结构性能
        4.1 阀体
        阀体不仅是阀门主要承压件，也是所有零件连接安装的核心零件，并决定着阀门的结构及性能。阀体设计成腰鼓型，并且对阀座和导向套采用了改进后的安装方式。其优点为①阀体分为上下两腔，导向套安装在上下腔隔离面上，从而使导向套大幅下移，解决了高进低出单座阀阀芯的稳定性，避免高频振动的噪声及提高了阀芯的寿命。②在上下两腔的隔离面上设计平衡孔，在导向套上设计平衡槽，不仅达到套筒阀压力平衡的作用，同时也能使阀芯与导向套实现自清洁，避免阀芯、导向套刮伤和卡塞等问题。③阀体上腔介质不直接流过，仅通过平衡孔对流，不仅介质颗粒减少，而且在靠近上阀盖与阀体的上腔空间，会形成介质死区，颗粒介质无法流入填料函内，从而保证阀门无外泄漏，避免阀杆与填料在相对运动时刮伤的问题。④阀体下腔为流道，为防止冲蚀，流道表面喷涂碳化钨，并且下腔设有倒流翼，防止涡流对阀芯及内件的冲蚀。

        4.2 阀芯、阀杆、导向套
        阀芯是调节流量的关键件，也是冲蚀zui严重的零件之一，对阀芯结构及材料的选择决定了阀门的性能。而导向套的设计，对阀芯稳定性、调节性及运动性都起决定作用。导向套安装在上下腔隔离面上，使导向面下移稳定阀芯，克服了传统文丘里角阀高进低出时的高频振动、噪声及调节性能不好问题。在导向套内孔设有凹槽，与隔离面上的孔形成压力平衡效果。导向套的内孔及暴露在流道区的外圆都经过表面硬化处理，保证内孔的耐磨性能、外圆的抗冲蚀性能。
        阀芯采用特殊碳化钨整体烧结成型（硬度≥89HRA），具有一定的抗冲击性能和良好的抗腐蚀性能。阀芯与阀杆连接，既保留了阀芯高硬度、高耐磨和抗腐蚀的特性，又使阀芯组件具有了相当韧性，杜绝了阀芯组件脆裂现象发生。在阀芯上设有螺旋导槽，与导向套的凹槽形成刮刀效应，避免了阀芯与导向套间隙冲入颗粒卡塞和刮伤。同时与隔离面的孔形成流动平衡，带走槽内颗粒，实现自清洁功能。
        4.3 阀座、文丘里基座、变径法兰
        阀座、文丘里基座由阀体与变径法兰通过螺纹夹紧连接，从而组成阀座部件。阀座的安装位置与传统阀座安装*不同，其优点是在现场只需将变径法兰拆下，即可对阀门进行在线维护。煤化工系统中流体介质对阀芯、阀座及介质出口部位的冲刷和腐蚀特别严重，此设计保证了阀门关键节流易损件的方便更换，降低用户的运营成本。阀座及文丘里基座直孔段采用特殊碳化钨整体烧结后镶嵌至不锈钢基材上，在调节过程中阀芯、阀座承受的冲蚀zui大，所以通过采用整体特殊碳化钨合金材料来抵御介质的冲蚀。镶嵌式结构保证了阀座既有很高的硬度，又有很强的韧性。裸露的流道部分及文丘里管扩散段内孔均采用喷涂碳化钨，保证了阀座组件的整体性能。
        介质在流经阀座时有阻塞流发生，高速流体产生闪蒸、空化，介质在阀腔内的聚泡爆裂过程，会释放很大的能量，对阀体内部及节流元件等零件产生强力破坏，形成气蚀。而文丘里基座的设计，减少了压力恢复时气泡的数量，降低了气蚀破坏，使气蚀尽可能发生在扩散段内，从而保证下游管壁不被破坏，降低下游管件因气蚀造成的安全隐患。
        5 结语
        文丘里黑水调节阀已成功应用在煤化工工艺系统上，它改变了传统调节阀阀座与阀体的安装方式，实现了在线安装和维修等。与传统的调节阀理念有着非常大的创新，解决了煤化工系统阀门耐高腐蚀、耐高冲刷和耐高温的难题，保证了煤化工工艺系统的需要，节约了生产成本。文丘里黑水调节阀在其他苛刻工况领域也将有广泛的应用前景，并会产生良好的经济效益和社会效益。