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浙江摩根閥門有限公司

主營產(chǎn)品:鍛鋼球閥,鍛不銹鋼球閥,高壓球閥,高溫球閥,法蘭球閥,美標(biāo)球閥,不銹鋼球閥,固定式球閥,浮動式球閥,全焊接球閥,美標(biāo)縮徑球閥,管線球閥,天然氣球閥,中石化用球閥,中海油用球閥,鍛造球閥,鍛打球閥,雙聯(lián) ...

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煤化工行業(yè)用金屬密封球閥的選型及應(yīng)用

2016-12-17 

煤化工行業(yè)用金屬密封球閥的選型及應(yīng)用

浙江摩根閥門有限公司技術(shù)提供

 

摘要介了在煤制油工程中金屬密封耐磨球的型和市需求及用域,分析了

金屬密封浮 球球 和固定球球 的 構(gòu)特性和 型及 用。

關(guān)鍵詞 煤化工;  金屬密封球閥;  耐磨閥門;  浮動球;  固定球;  熱噴涂 

Abstract:  Introduces the selection and market demands as well as application fields of metal seal wear 

- resisting ball valve in the process of coal to oil production,analyses the structure characteristics,se-lection and application for metal seal floating ball valve and fixed ball valve. 

Key words:  coal chemical;  metal seal;  ball valve;  wear valve;  floating ball;  fixed ball;  thermal spray 

 

1 煤化工用金屬密封球閥概述 

煤化工是將煤通過熱加工和催化加工轉(zhuǎn)化為各種燃料和化工產(chǎn)品的過程。煤化工及煤制油項(xiàng)目首先要進(jìn)行煤氣化,在高溫下將煤、焦炭等固體燃料與氣化劑反應(yīng),轉(zhuǎn)化為氣體產(chǎn)物和殘渣。煤氣化所用的氣化劑主要為蒸汽、高壓高純度氧氣及其混合氣體,氣化反應(yīng)包括了一系列均相與非均相化學(xué)反應(yīng)。所得氣體產(chǎn)物因所用原料煤質(zhì)、氣化劑的種類和氣化過程不同而具有不同的組成,可分為煤氣、半水煤氣及水煤氣等。在煤化工產(chǎn)業(yè)的煤制油、煤制烯烴及大型煤化成套系統(tǒng)中,金屬密封耐磨球閥作為一種耐磨損的管路系統(tǒng)截斷及流量控制的部件得到了極為廣泛的應(yīng)用。 

2 煤制油工藝過程 

煤制油工藝是以煤炭為原料,通過化學(xué)加工方法將固態(tài)的煤轉(zhuǎn)化合成為液態(tài)的石油燃料產(chǎn)品,其工藝可分為直接液化和間接液化。 

2. 1 直接液化 

直接液化是先將煤炭磨成煤粉與溶劑配制成油煤漿,然后在高溫、高壓下將煤中復(fù)雜的有機(jī)高分子結(jié)構(gòu)直接轉(zhuǎn)換為較低分子液體燃料。在精制后制得的油品,其工藝過程見圖 1。直接液化油回收率高,可達(dá) 63% ~ 68% ,煤消耗量小,生產(chǎn)液化油,需消耗洗精煤約 2. 4t。餾分油以汽、柴油為主,目標(biāo)產(chǎn)品的選擇性相對較高。油煤漿進(jìn)料,設(shè)備體積小,投資和運(yùn)行費(fèi)用低。 直接液化的反應(yīng)條件相對較苛刻。

溫度要求過高,液化壓力為 17. 0 ~ 30. 0MPa,溫度為 430 ~ 470℃ 。出液化反應(yīng)器的產(chǎn)物組成較復(fù)雜,液、固兩相混合物由于粘度較高,分離相對困難。氫耗量大,一般在 6% ~ 10% 。

2. 2 間接液化 

間接液化是將煤炭在高溫下氣化,轉(zhuǎn)化為合成氣 ( CO 和 H2 ) ,再經(jīng)過費(fèi)- 托合成可制得燃料 ( 汽油、柴油和航空燃料) 和化工原料。合成條件較溫和,反應(yīng)壓力 2. 0 ~ 3. 0MPa,反應(yīng)溫度低于 350℃ 。轉(zhuǎn)化率高,如 SASOL 公司 SAS 工藝采用熔鐵催化劑,合成氣的一次通過轉(zhuǎn)化率達(dá)到 60% 。

 

由于煤基間接液化反應(yīng)物均為氣相,所以其工藝設(shè)備體積龐大,投資和運(yùn)行費(fèi)用高。間接液化全部需要依賴于煤的氣化,其煤耗量大且合成副產(chǎn)物

 

較多,目標(biāo)產(chǎn)品的選擇性相對較低。

 

3 閥門特性要求 

3. 1 工況條件 

煤制油、油改煤及煤氣化等煤化工系統(tǒng)處于介質(zhì) ( 煤渣) 高硬度、高壓力及高溫度的工況,閥門應(yīng)具有耐磨、耐沖刷、防結(jié)垢、防結(jié)疤及快速切斷等 功 能。閥 門 口 徑 大 ( 一 般 為 DN300 ~ DN450) 、啟閉頻繁且速度快 ( 30min動作一次,5~ 10s / 次) ,要求閥門密封性能好,可靠性高。目前,特級耐磨球閥已廣泛用于德士古爐煤化工和煤制油行業(yè),其介質(zhì)水煤漿中包含 58% ~ 67% 的煤粉固體。黑水系統(tǒng)及灰漿系統(tǒng)中含有大量渣漿等特硬固體顆粒,在閥門腔體內(nèi)沉積、堵塞或結(jié)垢,難于清除 ( 表 1) 。

 

表 1  煤化工用閥門特殊要求

 

 

特殊要求

閥門性能

 

 

使用溫度

≤550℃

閥座密封等級

ANSI /FCI 70 - 2 的 ClassⅤ級 /API 598

啟閉動作

5 ~ 10s / 次( 氣動裝置)

閥門強(qiáng)度

高強(qiáng)度軸承及高性能的執(zhí)行機(jī)構(gòu)

磨損度

具有很強(qiáng)的耐磨性,采用球面和閥座噴涂 WC,涂層厚度為 0. 2 ~ 0. 4mm,硬度為 65 ~ 70HRC

密封性

球體和閥座都進(jìn)行表面硬化處理,密封結(jié)構(gòu)采用彈簧加力閥座,使閥座向球體移動,高精度加工技術(shù)確保密封等級

腐蝕性

滿足 ANSI /FCI 70 - 2 的 ClassⅤ級 /API 598 密封試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

酸性

閥體材料采用奧氏體不銹鋼、雙相不銹鋼、英康乃爾合金,具有很強(qiáng)的耐腐蝕性

其他

材料符合 NACE MR-0103 及 NACE MR-0175 要求。與介質(zhì)接觸的零部件禁用銅材。儀表及附件防護(hù)等級達(dá)到IP65 ~

 

68,防爆等級達(dá)到 ExdⅡCT4

 

3. 2

閥門材料

 

 

Inconel625 ( Hasloy C - 276) 。Class2 500

的高溫

 

 

Class600~ 1

500 的常溫 ( - 29 ~ 200℃ )  耐磨

( 300 ~ 510℃ )

耐磨球閥閥體材料為 A182

F22 或

球閥,閥體材料為 ASTM A105 碳鋼鍛制球閥,其

A182 F347 不銹鋼鍛鋼,球體選用 Inconel718。閥

球體選用 ASTM A182 F304。對于有強(qiáng)腐蝕工況

桿采用沉淀硬化不銹鋼 17 - 4PH

( 表 2)  或 A638

時,閥體材料可采用奧氏體不銹鋼、雙相不銹鋼、

- 660。

 

 

 

 

 

 

 

表 2

17 - 4PH 沉淀硬化不銹鋼和不銹鋼常溫力學(xué)性能比較

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

鋼種

屈服強(qiáng)度 /MPa

抗拉強(qiáng)度 /MPa

延伸率 /%

斷面收縮率 /%

硬度 /HRC

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

17 - 4PH

≥1 207

≥1 310

≥14

≥54

≥42

 

 

 

 

F304

≥205

≥515

≥40

≥60

≤187

 

 

 

 

CF8

≥205

≥485

≥35

/

/

 

 

 

 

F316

≥205

≥515

≥40

≥60

≤187

 

 

 

 

CF8M

≥205

≥485

≥30

/

/

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. 3

工藝技術(shù)

 

 

或閥座堆焊 STL12# ( D812)  硬質(zhì)合金,大規(guī)模生

 

 

金屬密封耐磨球閥結(jié)構(gòu)適用于輸送黑水、渣水

產(chǎn)時,應(yīng)采用數(shù)控研磨中心對球體和閥座實(shí)行高精

及水煤漿等含固體顆粒的介質(zhì),閥門的球體和閥座

度的研磨。閥桿有防止固體顆粒進(jìn)入填料函的金屬

用超音速噴涂 ( HVOF)  JK117 {  ( WC )  /17Co }

和填料雙密封結(jié)構(gòu)。閥座彈簧具有防止灰渣堵塞結(jié)

構(gòu)。球閥在其一側(cè)為zui大工作壓力,另一側(cè)為大氣壓的zui大壓差工況下,完成啟閉并保證可靠密封,水壓試驗(yàn)的泄漏等級應(yīng)達(dá)到 ANSI /FCI 70 - 2 的

 

ClassⅤ級。

 

4 球閥性能分析

 

4. 1 浮動球 ( MOGAS 產(chǎn)品)

 

美國 MOGAS 雙金屬閥座浮動球球閥,為介質(zhì)出口端金屬密封,閥桿帶軸肩防飛出結(jié)構(gòu),閥座設(shè)計為刮刀式。閥門具有自泄壓功能,符合抗靜電及防火要求,依據(jù) NACE MR - 0103 進(jìn)行防腐處理,并按需要配置閥門齒輪箱 ( 圖 2) 。

 

64HRC 以上,厚度不小于 0. 3mm。球體與閥座手工配對研磨,密封檢驗(yàn)* API 598 標(biāo)準(zhǔn)要求。閥座鋒利的邊緣可對球體自刮擦自清潔,防止介質(zhì)

 

進(jìn)入球體與閥座的密封面而造成內(nèi)漏和卡塞現(xiàn)象。

 

( 7) 碟簧 選用碟形結(jié)構(gòu)彈簧,材料為 In-conel718。碟簧的主要作用是為閥座和球體施加一個預(yù)緊力,保證球體與閥座緊密結(jié)合。當(dāng)球體、閥

 

座受到熱脹發(fā)生位移時可有效回縮,防止球體與閥座發(fā)生卡塞現(xiàn)象。碟簧后閥座腔倒角處理 ( 角度經(jīng)流體動力學(xué)計算) ,使固體顆粒不易堆積在閥座后面而影響閥座的有效退讓 ( 圖 3) 。

 1. 閥桿 2. 閥桿導(dǎo)向環(huán) 3. 閥桿密封軸承 4. 填料防護(hù)環(huán)

 

 

5. 復(fù)合填料  6. 執(zhí)行器固裝支架  7. 填料壓蓋

 

8. 閥桿上的 “T”標(biāo)志  9. 刻線

 

圖 2  MOGAS 耐磨球閥閥桿填料結(jié)構(gòu)

 

( 1) 通徑 采用 ANSI B16. 34 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

 

( 2) 壓力等級 閥門的壓力等級符合訂貨規(guī)格及工藝管路等級要求,閥體壓力等級不低于法蘭等級。

 

( 3) 連接形式 球閥過程連接為法蘭連接或?qū)高B接,法蘭標(biāo)準(zhǔn)依據(jù) ANSI B16. 5,采用 RF

法蘭連接。對焊連接端部標(biāo)準(zhǔn)依據(jù) ANSI B16. 25。

 

( 4) 結(jié)構(gòu)長度 采用 ANSI B16. 10 標(biāo)準(zhǔn)確定

 

閥的結(jié)構(gòu)長度。

 

( 5) 閥體、閥蓋 均選用鍛件 ASTM A105、 ASTM A82 F22、A182 F347,對于需要防硫化氫的閥門按照 NACE 要求進(jìn)行熱處理。

 

( 6) 球體、閥座 球體為不銹鋼 410SS,表面高速氧火焰噴涂碳化鉻合金 ( 涂層耐溫 815℃ ) ,硬度 64HRC 以上,厚度不小于 0. 3mm。閥座為

 

Inconel 718 合金,同樣采用噴涂碳化鉻合金硬化處理。表面高速氧火焰噴涂碳化鉻合金再熔融處理 ( 耐溫 815℃ ) ,涂層耐磨不易脫落。球面硬度

 

 1. 球體  2. 閥座  3. 彈簧

 

 

圖 3  耐磨球球體與閥座結(jié)構(gòu)

 

( 8) 閥桿 閥桿材料選用 17 - 4PH 或 A638 - 660。閥桿設(shè)計為雙密封并有軸肩防飛出結(jié)構(gòu),帶彈簧預(yù)緊的填料壓蓋結(jié)構(gòu)。閥桿設(shè)置有金屬密封軸承和填料雙重密封 

 

圖 4 MOGAS 耐磨球閥填料及填料壓蓋結(jié)構(gòu)

 

( 9 ) 填料 由 3 個模壓成型組合純石墨環(huán) ( Chesterton 5300) 和 2 個有 Inconel 合金絲編織成的石墨抗擠壓環(huán) ( Chesterton 1601) 組成,能承受

 

970℃ 的高溫。填料壓蓋帶有預(yù)載碟簧,填料壓蓋可持續(xù)壓緊填料不致發(fā)生外漏現(xiàn)象。

 

( 10) 泄漏等級 切斷閥的閥瓣和閥座采用金屬密封的雙向密封形式。金屬密封軸承表面硬化處理后手工配對研磨,為壓力密封設(shè)計,壓力越大,密封越緊,可防止固體顆粒進(jìn)入填料函。泄漏等級

 

符合 API 598 標(biāo)準(zhǔn)要求。 

4. 2 固定球 ( HARTMANN 產(chǎn)品) 

德國 HARTMANN 高壓固定球球球閥為金屬雙向密封,全通徑,雙流向,3 片分體式結(jié)構(gòu)。密

5 結(jié)語 

煤制油工藝過程中同時存在氣 - 液 - 固三相混合物介質(zhì),對閥門提出高溫、高壓、耐磨、耐腐蝕、耐沖刷、抗熱循壞和零泄漏等要求。作為全通徑、大流量、低流阻、開關(guān)方便等優(yōu)點(diǎn)的金屬密封耐磨球閥將獲得快速發(fā)展,將逐步從低壓、常溫到高壓、高溫,促進(jìn)了球閥應(yīng)用范圍的擴(kuò)大和發(fā)展。浮動球與固定球耐磨球閥各有特點(diǎn),各種選型原則只是在一般情況下的應(yīng)用原則。隨著閥門生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展,浮動球球閥將可用于高壓力工況,固定球球閥也可以用于含固體顆粒介質(zhì)工況。高溫高壓金

屬密封耐磨球閥在煤化工產(chǎn)業(yè)的煤制油、煤制烯烴及大型煤化成套系統(tǒng)中的推廣應(yīng)用,可替代進(jìn)口的同類產(chǎn)品,提升我國高溫高壓耐磨球閥的技術(shù)水平,有效降低企業(yè)的設(shè)備采購成本。


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