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一、前言
水煤漿是一種新型的潔凈液體燃料,是潔凈煤技術(shù)的重要組成部分。自問世以來以其具有的代油節(jié)能、高效燃燒和低污染等諸多優(yōu)點備受各國企業(yè)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(shù)已完成了實驗室和工業(yè)性試驗階段,目前已在大中型電站鍋爐上成功應(yīng)用,并取得了比較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。
二、水煤漿系統(tǒng)中閥門失效分析
由于水煤漿系統(tǒng)工況條件比較惡劣,目前在水煤漿系統(tǒng)使用的閥門多以進(jìn)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(zhuǎn)90°實現(xiàn)開啟和關(guān)閉的目的,在開啟和關(guān)閉的過程中,閥球和閥座密封面一直處于接觸狀態(tài),在這種含有細(xì)粉顆粒的工作介質(zhì)中,密封副之間無法避免會有顆粒物質(zhì)進(jìn)入,在頻繁啟閉時,密封副很可能會出現(xiàn)破壞現(xiàn)象,導(dǎo)致密封失效,甚至?xí)霈F(xiàn)閥球卡死現(xiàn)象。但是這種進(jìn)口球閥昂貴,制造周期長,零配件供應(yīng)不及時,維修不方便,一旦發(fā)生故障,可能會造成系統(tǒng)停車。根據(jù)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(tǒng)工況下使用的偏心半球閥。
三、偏心半球閥結(jié)構(gòu)特點及工作原理
1、結(jié)構(gòu)特點
根據(jù)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(yè)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(zhì)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(zhì)量分?jǐn)?shù)為不到70%的煤粉、30%的水分以及另加不到1%的化學(xué)添加劑(分散劑和穩(wěn)定劑)制備成的煤基液態(tài)燃料。在系統(tǒng)檢修停車時,停留在閥門和管道內(nèi)的煤漿介質(zhì),極易沉積煤粉顆粒,這樣會導(dǎo)致閥門開車時,無法正常打開。因此在閥體上設(shè)有清洗口和排污口,此種結(jié)構(gòu)設(shè)計對沖洗閥門防止啟閉卡死起到至關(guān)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。偏心半球閥在全開位置具有低流阻,流阻系數(shù)幾乎為零。
采用Ansys有限元分析軟件,對半球閥開度為100%時進(jìn)行了流體域的模擬分析,如圖2所示,最高速出現(xiàn)在進(jìn)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(qū)域,圖中數(shù)值與對應(yīng)顏色比較得出過流比較順暢,流速分布較均勻,整個流態(tài)比較平穩(wěn),上下兩側(cè)幾乎成對稱態(tài)勢,整個流道內(nèi)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(xiàn)在閥座密封面處。閥瓣密封面處介質(zhì)流速很低,這樣閥瓣的磨損較小,如果結(jié)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(shù)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(zhuǎn)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,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(xiàn)自鎖關(guān)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(guān)閉容易,開啟特困難,角度選大了,雖然開啟力小,但關(guān)閉力矩迅猛增加,經(jīng)試驗臺的反復(fù)試驗,確定兩個搭配合理的偏心量至關(guān)重要,可靠的自鎖性能確保其密封嚴(yán)密。這是半球閥的核心技術(shù),從結(jié)構(gòu)原理通過制造手段來實現(xiàn)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(guān)系到閥門的性能和使用壽命,根據(jù)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(xiàn)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(yīng)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(guān)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(shù)控機床加工成與閥瓣相同的SR值的圓弧曲面。當(dāng)閥瓣和閥座密封面達(dá)到一定精度時,兩者進(jìn)行配對研磨。
五、結(jié)語
上裝式偏心半球閥的密封性能、經(jīng)濟(jì)性能和節(jié)能降耗性能與球閥相比較,優(yōu)越性已顯得十分突出。其整體結(jié)構(gòu)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(zhí)行機構(gòu)運動靈活,易于實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和自動化(可直接進(jìn)入DCS控制系統(tǒng)),工作可靠,大大降低現(xiàn)場的勞動強度。