高溫?fù)胶祥y閥芯的改進(jìn)

2013-06-06 寧尚勇 荊門煉化機(jī)械有限公司

  介紹了高溫?fù)胶祥y的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),并針對(duì)目前高溫?fù)胶祥y實(shí)際操作使用中閥芯容易燒損、脫落等問(wèn)題,從閥芯的結(jié)構(gòu)及材料入手提出了改進(jìn)措施。改進(jìn)后的碳化鎢硬質(zhì)合金閥芯使用壽命有了很大的提高,較改進(jìn)前閥芯使用壽命延長(zhǎng)了3倍以上。

  高溫?fù)胶祥y是石油化工尾氣、天然氣等過(guò)程氣脫硫過(guò)程中的環(huán)保專用設(shè)備。荊門煉化機(jī)械公司生產(chǎn)的高溫?fù)胶祥y上安裝在硫磺回收裝置燃燒爐的出口管線上,其作用是控制熱流混合氣體的流量,用來(lái)調(diào)節(jié)熱流和冷流混合氣體的摻合量,并使其處于最佳溫度范圍時(shí)進(jìn)入轉(zhuǎn)化器轉(zhuǎn)化。

1、工藝參數(shù)及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

  (1)工藝參數(shù)。操作介質(zhì):H2S、SO2、CO2、H2O,空氣等混合氣體。操作溫度:冷流~150℃,熱流1200~1400℃,混合流260℃。操作壓力(表):0.025~0.035MPa。

  (2)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。閥體主體為20號(hào)無(wú)縫鋼管和Q235-B鋼板的組合件(根據(jù)介質(zhì)及操作條件的不同,閥體部分也有用不銹鋼閥體),其下部熱流入口是用TA-218耐磨襯里做成的耐磨套,隔熱襯里為含鋯陶纖澆注料,澆注在閥體和TA-218耐磨套之間。閥座圈材質(zhì)為ZG1Cr25Ni20Si2,閥座圈焊接在閥體殼體上。下閥桿材料為1Cr25Ni20Si2。閥桿填料箱設(shè)置蒸汽夾套保溫,以避免含硫氣體冷凝后對(duì)閥桿產(chǎn)生露點(diǎn)腐蝕。

  高溫?fù)胶祥y(見(jiàn)圖1)的下法蘭同燃燒爐的出口法蘭直接相連,熱流從閥門的下部進(jìn)入熱流通道,閥芯在閥桿的帶動(dòng)下,上下移動(dòng),控制閥座的開口面積,以達(dá)到調(diào)節(jié)熱流流量的目的。熱流和冷流在閥體內(nèi)形成混合氣,通過(guò)調(diào)節(jié)熱流流量的大小,使混合流的溫度達(dá)到最佳溫度范圍。閥體上端配有帶閥門定位器的氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu),可接受4~20mA的調(diào)節(jié)信號(hào),進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。

高溫?fù)胶祥y閥芯的改進(jìn)

圖1 高溫?fù)胶祥y示意

1—閥體 2—填料箱 3—執(zhí)行機(jī)構(gòu) 4—上閥桿 5—下閥桿 6—閥芯 7—閥座圈 8—耐磨襯套

  (3)高溫?fù)胶祥y在使用中出現(xiàn)的問(wèn)題。早期由于硫磺回收裝置的規(guī)模小,處理量小,燃燒爐的溫度在小于1200℃,閥芯材質(zhì)為1Cr25Ni20Si2,閥門很少出現(xiàn)問(wèn)題。后來(lái)隨著回收裝置規(guī)模的擴(kuò)大處理量增加,導(dǎo)致燃燒爐的溫度隨之升高,現(xiàn)已達(dá)到1400℃,最高時(shí)可達(dá)約1600℃。高溫?fù)胶祥y在使用過(guò)程中也隨之出現(xiàn)故障:閥芯被熔化;閥芯和閥桿之間的連接脫落導(dǎo)致閥門無(wú)法正常調(diào)節(jié);閥門在全關(guān)時(shí)達(dá)不到關(guān)閉的要求等。經(jīng)過(guò)調(diào)查研究后認(rèn)為,由于現(xiàn)役硫磺回收裝置的處理量加大,導(dǎo)致燃燒爐內(nèi)的溫度及熱流出口溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于早期的溫度,而且遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)閥芯材料的正常使用溫度(1150℃),熱流出口的高溫氣流直接作用在閥芯上,閥芯在約1400℃高溫、酸性介質(zhì)腐蝕及高溫氣流沖刷的共同作用下,很快就被燒損甚至熔毀報(bào)廢,致使高溫?fù)胶祥y無(wú)法正常使用,這也成為裝置安全長(zhǎng)周期運(yùn)行的一個(gè)重大隱患。

2、高溫?fù)胶祥y閥芯的改進(jìn)

2.1、方案Ⅰ/1Cr25Ni20Si2閥芯表面噴氧化鋯

  在原1Cr25Ni20Si2拋物線型閥芯(見(jiàn)圖2)表面噴一層氧化鋯。氧化鋯是一種很好的高溫耐磨陶瓷材料,具有強(qiáng)度高、硬度高和韌性佳,空氣中穩(wěn)定使用最高溫度可達(dá)1800℃。我們?cè)谥惺G門分公司硫磺回收裝置上進(jìn)行試驗(yàn),在高溫?fù)胶祥y投用約4個(gè)月后出現(xiàn)了氧化鋯剝落和閥芯被熔化的現(xiàn)象。通過(guò)分析其原因主要是:1Cr25Ni20Si2和氧化鋯之間的熱膨脹系數(shù)不一致,閥芯基體膨脹量大,可引起表面材料開裂,加之閥芯基體和表面材料之間結(jié)合不緊密而導(dǎo)致表面氧化鋯層剝落,氧化鋯層剝落的閥芯直接作用在高溫氣流之下,最終被熔毀。

高溫?fù)胶祥y閥芯的改進(jìn)

圖2 1Cr25Ni20Si2拋物線型閥芯

2.2、方案Ⅱ/1Cr25Ni20Si2加TA-218閥芯

  1Cr25Ni20Si2+(TA-218)閥芯目前使用最為廣泛,閥芯基體采用1Cr25Ni20Si2材質(zhì),閥芯表面襯有20mm厚TA-218耐磨襯里,該襯里和閥芯之間用掛片連接與固定。掛片為半圓環(huán)型或拋物線型,沖有舌形孔,數(shù)量為6~8件。掛片材質(zhì)為1Cr25Ni20Si2,掛片與閥芯之間焊接連接。攪拌好的襯里材料通過(guò)搗打,壓實(shí),使之緊密地固定在閥芯表面,經(jīng)襯里養(yǎng)生及烘烤后使用。

  TA-218作為在高溫下具有強(qiáng)度好、硬度高、耐腐蝕,最高使用溫度可達(dá)1600℃。其參數(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 TA-218性能參數(shù)

高溫?fù)胶祥y閥芯的改進(jìn)

  1Cr25Ni20Si2+(TA-218)閥芯有拋物線型[見(jiàn)圖3(a)]和半球型[見(jiàn)圖3(b)]兩種結(jié)構(gòu)。拋物線型結(jié)構(gòu)的閥芯調(diào)節(jié)性能好,但高度方向尺寸較大,閥門在實(shí)際使用過(guò)程中,閥芯始終處于高溫區(qū)域,工況較為惡劣,其使用壽命受影響;半球型結(jié)構(gòu)的閥芯調(diào)節(jié)性能相對(duì)較差,但高度方向尺寸較小,在閥門的全開狀態(tài)下,能使閥芯遠(yuǎn)離高溫氣流區(qū)域,處于冷流中,避免了閥芯長(zhǎng)期處于高溫氣流區(qū),對(duì)延長(zhǎng)閥芯使用壽命有積極作用。

高溫?fù)胶祥y閥芯的改進(jìn)

圖3 兩種閥芯

1—閥芯基體 2—襯里材料

  綜合考慮閥門的調(diào)節(jié)性能和閥芯的使用壽命等因素,我們以高溫?fù)胶祥y熱流口徑的大小作為高溫?fù)胶祥y閥芯結(jié)構(gòu)的選型依據(jù),一般情況下,熱流口徑大于等于Φ100時(shí)選用半球型結(jié)構(gòu),熱流口徑小于Φ100時(shí)選用拋物線型結(jié)構(gòu)。

  TA-218耐磨襯里在高溫下體積收縮,1Cr25Ni20Si2閥芯基體高溫下產(chǎn)生膨脹,由于膨脹量的差異,閥芯在使用一段時(shí)間后,掛片與閥芯焊接處容易脫焊,致使閥芯耐磨襯里層脫落,導(dǎo)致閥門無(wú)法正常調(diào)節(jié),嚴(yán)重時(shí)脫落的耐磨襯里會(huì)堵住熱流出口,導(dǎo)致裝置無(wú)法滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)甚至停工。

  1Cr25Ni20Si2+(TA-218)閥芯的正常使用壽命約6~8個(gè)月,雖然較方案Ⅰ有了一定的提高,但仍然無(wú)法滿足裝置長(zhǎng)周期安全運(yùn)行的需要。

2.3 、方案Ⅲ/碳化鎢硬質(zhì)合金閥芯

  硬質(zhì)合金是由難熔金屬的硬質(zhì)化合物和粘結(jié)金屬通過(guò)粉末冶金工藝制成的一種合金材料。硬質(zhì)合金具有硬度高、耐磨、耐熱、耐腐蝕、強(qiáng)度和韌性較好等一系列優(yōu)良性能,特別是它的高硬度和耐磨性,即使在500℃的溫度下也基本保持不變,在1000℃時(shí)仍有很高的硬度。目前常用的硬質(zhì)合金分兩大類:一類是鎢鈷系,它是以碳化鎢為基,用鈷作粘結(jié)劑,經(jīng)壓制、燒結(jié)而成的,我國(guó)的牌號(hào)用“YG”表示;另一類是鎢鈦鈷系(用“YT”表示)和鎢鈦錫鈷系(用“YW”表示),鎢鈦鈷系列以碳化鎢、碳化鈦為基體,鎢鈦錫鈷系列以碳化鎢、碳化鈦和碳化鈮為基體。鎢鈦鈷系和鎢鈦錫鈷系均用鈷作粘結(jié)劑,經(jīng)壓制、燒結(jié)而成。

  高溫?fù)胶祥y閥芯選用鎢鈷系硬質(zhì)合金,牌號(hào)為YG8,它除了具有很高的硬度和強(qiáng)度外,還有較好的韌性及耐腐蝕性,適合于制作機(jī)械加工用刀具,冷擠壓模具材料、機(jī)械設(shè)備及腐蝕環(huán)境中的耐磨零件如泵的密封環(huán)、閥門的閥座、鈾承套等。

  YG8硬質(zhì)合金碳化鎢含量92%,鈷作為粘接劑含量為8%,其性能參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 YG8性能參數(shù)

高溫?fù)胶祥y閥芯的改進(jìn)

  YG8硬質(zhì)合金閥芯以碳化鎢為基,用鈷作粘結(jié)劑,經(jīng)壓制、燒結(jié)而成的,其加工制造工藝:粉末制造→摻膠制粒→模具壓制成型→半成品加工→脫膠→燒結(jié)成型(1500℃真空燒結(jié))→成品加工。

  早期試制的碳化鎢硬質(zhì)合金閥芯采用拋物線型結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)性能好,但外形結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,制造加工較為困難。由于碳化鎢硬質(zhì)合金加工工藝的局限性,拋物線型碳化鎢硬質(zhì)合金閥芯在制造時(shí)廢品率較高,廢品率超過(guò)50%,致使碳化鎢硬質(zhì)合金閥芯的制造成本很高。為了保證閥門使用性能的同時(shí)盡可能的降低成本,我們通過(guò)深入的分析研究并經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn),最終將高溫?fù)胶祥y閥芯設(shè)計(jì)成圓錐型結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖4),即閥芯外形為圓錐形,圓錐錐角α為30°~60°,閥芯內(nèi)部為空心結(jié)構(gòu),以減輕閥芯重量。圓錐型結(jié)構(gòu)閥芯具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)。圓錐型結(jié)構(gòu)芯外形為圓錐形,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,便于加工制造,加工制造時(shí)成品率可控制在95%以上,極大地降低了閥芯的制造成本;與拋物線型結(jié)構(gòu)閥芯相比,圓錐型結(jié)構(gòu)閥芯體積小、重量輕,同一規(guī)格閥芯圓錐型結(jié)構(gòu)要比拋物線型結(jié)構(gòu)輕10%~20%。相對(duì)于拋物線型閥芯來(lái)講,圓錐型閥芯調(diào)節(jié)性能略差,但完全能滿足高溫?fù)胶祥y生產(chǎn)調(diào)節(jié)的需要。在設(shè)計(jì)閥芯時(shí)根據(jù)高溫?fù)胶祥y的熱流口徑及閥門行程來(lái)確定閥芯圓錐錐角的大小。熱流口徑越小,閥芯圓錐錐角越小;閥門行程越大,閥芯圓錐錐角越小。

高溫?fù)胶祥y閥芯的改進(jìn)

圖4 碳化鎢硬質(zhì)合金閥芯

  碳化鎢硬質(zhì)合金閥芯單件制造成本較高,其制造成本約為1Cr25Ni20Si2+(TA-218)閥芯2~2.5倍,但碳化鎢硬質(zhì)合金閥芯的使用壽命長(zhǎng),是1Cr25Ni20Si2+(TA-218)閥芯的3倍以上。在確保裝置安全長(zhǎng)周期運(yùn)行的前提下,碳化鎢硬質(zhì)合金閥的性價(jià)比最好。目前,碳化鎢硬質(zhì)合金閥芯已在中石化及地方煉油廠共計(jì)十余套裝置上投用,投用最長(zhǎng)時(shí)間已連續(xù)運(yùn)行超過(guò)26個(gè)月。

  綜上所述,第Ⅲ套方案的調(diào)節(jié)性能較好,使用壽命長(zhǎng),在生產(chǎn)裝置中得以采用。