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偏心半球閥在水煤漿工況上的應用與研究

2021年08月10日 10:56:10人氣:3010來源:上海湖泉閥門集團有限公司

  針對水煤漿工況條件下使用的偏心半球閥的結構進行了分析和研究,從偏心半球閥的耐磨性、密封面結構及閥門結構進行分析,闡述了偏心半球閥密封面材料配對形式的選擇及機械加工工藝要求。
 
  一、前言
 
  水煤漿是一種新型的潔凈液體燃料,是潔凈煤技術的重要組成部分。自問世以來以其具有的代油節能、高效燃燒和低污染等諸多優點備受各國企業的青睞,但是水煤漿在制造前后具有腐蝕性強、沖蝕強以及顆粒硬度高等特點。我國的水煤漿技術已完成了實驗室和工業性試驗階段,目前已在大中型電站鍋爐上成功應用,并取得了比較好的經濟效益和社會效益。
 
  二、水煤漿系統中閥門失效分析
 
  由于水煤漿系統工況條件比較惡劣,目前在水煤漿系統使用的閥門多以進口球閥居多,由于球閥是由旋塞閥演變而來的,它的啟閉件為一個球體,利用球體繞閥桿的軸線旋轉90°實現開啟和關閉的目的,在開啟和關閉的過程中,閥球和閥座密封面一直處于接觸狀態,在這種含有細粉顆粒的工作介質中,密封副之間無法避免會有顆粒物質進入,在頻繁啟閉時,密封副很可能會出現破壞現象,導致密封失效,甚至會出現閥球卡死現象。但是這種進口球閥昂貴,制造周期長,零配件供應不及時,維修不方便,一旦發生故障,可能會造成系統停車。根據工況要求和降低客戶運行成本,研制出了管線輸送水煤漿系統工況下使用的偏心半球閥。
 
  三、偏心半球閥結構特點及工作原理
 
  1、結構特點
 
  根據水煤漿工況條件,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。
 
  (1)耐腐蝕
 
  能滿足石油化工等行業對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,保證介質逆向流動的密封性能,為防止水煤漿倒流提供安全保障,同時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量分數為不到70%的煤粉、30%的水分以及另加不到1%的化學添加劑(分散劑和穩定劑)制備成的煤基液態燃料。在系統檢修停車時,停留在閥門和管道內的煤漿介質,極易沉積煤粉顆粒,這樣會導致閥門開車時,無法正常打開。因此在閥體上設有清洗口和排污口,此種結構設計對沖洗閥門防止啟閉卡死起到至關重要的作用。
 
  (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,流阻系數幾乎為零。
 
偏心半球閥在水煤漿工況上的應用與研究
圖1 偏心半球閥三維圖
 
  采用Ansys有限元分析軟件,對半球閥開度為100%時進行了流體域的模擬分析,如圖2所示,最高速出現在進口處紅色部分,整體流道速度分布梯度較小,幾乎維持在中間區域,圖中數值與對應顏色比較得出過流比較順暢,流速分布較均勻,整個流態比較平穩,上下兩側幾乎成對稱態勢,整個流道內流速無明顯增加,壓力局部損失明顯減小。流場的最高流速沒有出現在閥座密封面處。閥瓣密封面處介質流速很低,這樣閥瓣的磨損較小,如果結合壓力分布圖分析,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中心(即閥桿軸線)與閥芯的密封球面的幾何中心偏置一個徑向尺寸e(見圖3),還與閥座密封面在閥體通道軸線上有個偏置尺寸,偏心半球閥依靠兩個偏心實現自鎖關閉,偏心的合理選配使得自鎖角小于摩擦角,自鎖角選得太小關閉容易,開啟特困難,角度選大了,雖然開啟力小,但關閉力矩迅猛增加,經試驗臺的反復試驗,確定兩個搭配合理的偏心量至關重要,可靠的自鎖性能確保其密封嚴密。這是半球閥的核心技術,從結構原理通過制造手段來實現最佳密封效果。
 
  四、密封面材料配對和加工工藝
 
  密封副材料的配對的選擇直接關系到閥門的性能和使用壽命,根據機械加工工藝和熱處理條件。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。這種配對可以實現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用場合。由于閥座密封面處堆焊司太立較厚,抗咬合性能較好。
 
  零件的加工精度對密封可靠性的提高起到關鍵性作用,尤其是對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磨削加工,閥座堆焊后采用數控機床加工成與閥瓣相同的SR值的圓弧曲面。當閥瓣和閥座密封面達到一定精度時,兩者進行配對研磨。
 
  五、結語
 
  上裝式偏心半球閥的密封性能、經濟性能和節能降耗性能與球閥相比較,*性已顯得十分突出。其整體結構緊湊,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,氣動或電動執行機構運動靈活,易于實現遠程控制和自動化(可直接進入DCS控制系統),工作可靠,大大降低現場的勞動強度。
 
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