介紹了煤氣化裝置水煤漿氣動控制球閥的研究過程，分析了煤氣化工況系統的主要技術難點，給出了產品國產化研究的具體解決方案，并對產品結構的設計計算提出了新的思路。

1、概述

　　煤氣化裝置的水煤漿是由55% ～ 70% 不同粒度分布的煤，29% ～ 44% 的水和約1% 的化學添加劑制備而成的混合物。水煤漿介質中含大量的硬質固體顆粒，具有較強的應力腐蝕，還具有高溫、高壓的特點，極易對閥門造成磨損、沖刷、沉積及卡塞。軟密封球閥及普通的硬密封球閥很難在該工況中長期可靠應用，因此，真空技術網(http://bjjyhsfdc.com/)認為煤氣化裝置水煤漿耐磨球閥的研究和開發是非常重要的。

2、技術分析

　　煤氣化裝置水煤漿管線閥門一般分為煤漿管線第1 切斷閥、煤漿管線第2 切斷閥和煤漿管線回流切斷閥。煤漿管線的操作壓力或關閉壓差一般達到6. 5 ～ 13. 5MPa，工況溫度一般為60 ～ 425℃，加上介質中含有大量硬質的固體顆粒。因此，為了保證煤氣化裝置水煤漿管線閥門的長期安全、可靠和穩定使用，必須克服閥門存在的幾個技術難點。

　　(1) 高操作壓力所產生的高速流動介質極容易對球體、閥座和閥腔，特別是球體造成強烈沖刷和磨損，導致球體和閥座密封失效，甚至報廢。

　　(2) 煤漿介質極易粘結在球體表面，造成閥門無法打開或關閉。

　　(3) 煤漿內的細小固體顆粒很容易進入到閥桿和軸套內部，閥桿長時間在硬質固體顆粒的摩擦運動下快速磨損，造成軸套和閥桿間隙不斷擴大，直至無法工作。

　　(4) 煤漿內的細小固體顆粒還可能進入到閥座背面，將彈簧室塞滿或卡塞，使閥座無法正常工作。

　　(5) 高壓介質所產生的高密封比壓以及固體顆粒所產生的高摩擦阻力，造成閥門需要更大的操作扭矩，而大操作扭矩的執行裝置往往導致支架位置變動、閥桿變形或扭斷。

3、結構設計

　　針對水煤漿介質的特點和技術難點，采用了氣動金屬密封耐磨球閥結構的設計( 圖1) 。

　　(1) 刮刀式閥座結構。在閥門啟閉過程中能夠自動刮除球面上的雜質，自動清潔球面。

　　(2) 閥座背面板簧加載結構。以補償由于溫度變化造成零部件的變形，避免閥座出現卡塞現象，并且彈簧腔室采用防砂結構設計，杜絕了固體顆�；螂s質的侵入。

　　(3) 防側向偏移功能上下支撐軸結構。閥桿能夠承受介質強大的側向推力。

　　(4) 動態載荷填料密封結構。可以實現對填料自動施加適當的外力。

　　(5) 防扭轉偏移支架結構。克服了一般支架結構容易導致執行機構與閥門連接松動甚至脫落的嚴重缺陷，防止了巨大的氣缸或執行機構扭轉力改變執行機構、閥桿、支架、球體和閥座等相對位置的可能性。

1. 閥體2. 閥蓋3. 球體4. 閥座5. 閥座密封圈6. 板簧密封圈7. 板簧8. 閥桿9. 填料10. 支架11. 氣動執行機構

圖1 氣動控制金屬密封球閥

4、執行機構及其氣路設計

　　為了達到系統順控的要求，實現閥門的快速開啟和關閉，以及使閥門避免卡塞和防止沖刷，并達到ESD 功能。根據設計要求，采用了彈簧復位的氣動執行機構，以實現閥門的快速啟閉和安全操作。典型氣路設計原理( 以FC 為例) 見圖2。

　　(1) 閥門開啟時，電磁閥首先帶電工作，壓縮空氣經過濾減壓閥的過濾和減壓后通過電磁閥啟動氣控制器的先導閥。先導閥工作的同時帶動氣控閥主閥工作，壓縮空氣隨即通過快排閥進入氣動執行機構的氣缸內驅動閥門，直到閥門完全打開。

　　(2) 當電磁閥失電或氣源失氣時，氣動執行機構內部的彈簧立即自動工作，將氣缸內的壓縮空氣直接從快排閥快速排出到大氣，完成快速關閉閥門的動作，回到設定的安全位置。

5、工藝控制

　　(1) 閥門整體流道噴涂硬質合金保護層，防止了介質的強烈沖刷和磨損。

　　(2) 動配合處均進行適當的硬化處理，確保長期耐磨性能和使用可靠性。

　　(3) 球體和閥座采用噴焊或噴涂的硬化處理方式，硬度≥60HRC，兩者之間并具有一定的硬度差，保證長期應用的耐磨性能。

　　(4) 對球體和閥座密封面采用配對研磨的措施，保證密封面吻合度達到100%，使閥門的密封等級能夠達到ASME B16. 104 /FCI 70 - 2 規定的Ⅵ級要求。

1. 氣動執行機構2. 快排閥3. 氣動控制器4. 閥位開關5. 電磁閥6. 過濾減壓閥

圖2 典型氣路原理

6、設計計算

　　對于水煤漿氣動控制球閥的設計計算可以采用傳統的經驗公式計算法和有限元分析法相結合進行。

6.1、經驗公式計算法

　　水煤漿氣動控制球閥的計算項目及經驗公式可根據表1 進行。

表1 計算項目及公式

6.2、有限元分析法

　　在傳統經驗公式計算法中，對于球體、支架等的計算和校核比較復雜，因此，可以采用有限元分析法相結合的方法計算。

　　(1) 球體

　　根據實際使用情況，應從球體的前端和后端同時施加設計要求的壓力和載荷，并對球體的總變形量、等效應力和安全系數計算和分析。從圖3、圖4和圖5 中可以直觀地得出球體各個不同方面的分析結果。

圖3 球體的總變形量

圖4 球體的等效應力

圖5 球體的安全系數

　　(2) 支架

　　支架結構是影響閥門運行的重要因素。從圖6、圖7 和圖8 中可以直觀地得出支架各個不同方面的分析結果。

　　通過傳統經驗公式計算法和有限元分析法的相結合和相比較，不僅可以得到精確可靠的設計數據，并且可以對初步設計的結果進行校核和優化。

圖6 支架的總變形量

圖7 支架的等效應力

圖8 支架的安全系數

7、結語

　　目前，水煤漿氣化技術已被列為國家能源發展的重點推廣技術。通過對煤化工氣化裝置的關鍵閥門，包括水煤漿氣動控制球閥的研究和開發，具有自主知識產權的國產化水煤漿氣動控制球閥已經較大批量的成功應用在煤化工及煤漿輸送管線等項目，解決了煤氣化用閥的主要技術難點，滿足了工況系統的需求，得到了用戶的認可。