煤鎖閥故障原因分析與改良

煤鎖閥故障原因分析與改良分析了煤鎖閥在煤粉加壓氣化工藝中操作過程、操作條件及其常見故障產(chǎn)生的原因，介紹了新構(gòu)造的煤鎖球閥及其技術(shù)特征和優(yōu)越性，并通過實際應(yīng)用證實，新構(gòu)造的煤鎖球閥能夠在煤粉加壓氣化工藝裝置中長周期可靠運行。1、概述

在煤粉加壓氣化工藝中，如磨煤與干燥系統(tǒng)、煤粉加壓及輸送系統(tǒng)、渣脫除系統(tǒng)和干灰脫除系統(tǒng)等均大量采用煤鎖閥，煤鎖閥包含有鎖斗閥、充壓閥、平衡閥、泄壓閥和煤粉管線切斷閥等。由于煤粉加壓氣化工藝系統(tǒng)是一個溫度和壓力交變的復(fù)雜操作過程，操作條件惡劣，雖然目前大多數(shù)煤鎖閥采用的是國外知名品牌和進口產(chǎn)品，但是在其使用過程中仍然出現(xiàn)很多普遍性的故障，且故障率高，連續(xù)使用周期短，一般約為6個月，嚴重影響了煤粉氣化工藝裝置的長周期可靠運行。2、工況條件

煤鎖閥的操作介質(zhì)為煤粉+N2或者煤粉+CO2，設(shè)計壓力一般為0.4～5.7MPa，最小操作壓差為0.2～0.3MPa，最大操作壓差可達5.6MPa，設(shè)計溫度為-50～160℃，正常操作溫度一般為80℃，煤粉經(jīng)過磨煤機后具有大量超細粉末，其中90%以上的煤粉粒級≤90μm，同時，雖然煤粉經(jīng)過了烘干和保溫，但是仍然存在有水合物，并使煤粉具有一定的粘結(jié)性。另外，煤粉鎖斗閥的開關(guān)頻率較高，每20～30min開關(guān)一次，開關(guān)時間要求2～10s。3、故障分析

3.1、常見故障

煤鎖閥采用金屬密封球閥，通過對國外多家品牌的煤鎖閥在國內(nèi)煤粉加壓氣化裝置不同位置、不同操作條件下實際使用情況的調(diào)研，其常見的故障有4種。①閥門開關(guān)不到位。②閥門卡塞，不能動作。③內(nèi)漏。④球體、閥座和流道被沖刷和損壞。其中，最常見的故障是閥門開關(guān)不到位，而開關(guān)不到位將使閥門局部持續(xù)受到介質(zhì)的高速沖刷，從而造成閥座和球體損壞、閥門內(nèi)漏等。最嚴重的故障是閥門卡塞、不能動作，這將導(dǎo)致氣化爐系統(tǒng)被迫停車。

3.2、故障分析

經(jīng)對多臺不同故障的煤鎖閥開展拆解檢查，其主要問題為①球體表面刮傷和噴涂層脫落(圖1和圖2)。②閥座密封面刮傷和磨損(圖3)。③閥桿磨損和咬傷(圖4)。④閥座與球體卡塞(圖5)。⑤閥腔和球體表面嚴重積灰。

圖1球體表面刮傷

圖2球體噴涂層脫落

圖3閥座密封面刮傷和磨損

圖4閥桿磨損和咬傷

3.2.1、閥門開關(guān)不到位

閥門開關(guān)不到位發(fā)生的頻率最高。根據(jù)拆解檢查以及現(xiàn)場調(diào)研情況，分析閥門開關(guān)不到位的主要原因。

圖5閥座與球體卡塞

(1)球體和閥座密封面硬化材料本身的耐磨和耐擦傷性能缺陷，發(fā)生較嚴重的磨損和刮傷后，球體和閥座的摩擦系數(shù)增大，閥門實際操作扭矩也增大，超出了設(shè)計的安全系數(shù)范圍，造成閥門開關(guān)不順暢。

(2)閥座上的刮刀尺寸較小，或者閥座反面彈簧補償力缺陷，造成刮刀實際自清潔作用沒有發(fā)揮出來，時間一久，球體表面積灰結(jié)垢逐漸嚴重，導(dǎo)致刮刀作用完全失效，閥門動作受阻。

(3)閥座反面彈簧室密封和防塵性能缺陷，微細煤灰逐步侵入，最后填滿彈簧室空間，閥座移動空間缺陷，閥門動作卡塞。

(4)閥桿與軸孔磨損嚴重甚至咬傷，引起閥桿位置偏移和動作阻滯。

(5)現(xiàn)場動力源缺陷，或者執(zhí)行機構(gòu)考慮的安全系數(shù)缺陷也是造成閥門開關(guān)不到位的重要原因。煤鎖球閥在打開或者關(guān)閉的整個過程當中，其扭矩力是不斷變化的，最關(guān)鍵的有起始扭矩、運行扭矩和終止扭矩，其中任何一個點的安全系數(shù)缺陷都將引起開關(guān)不順暢。

3.2.2、閥門卡塞

閥門卡塞、不能動作對系統(tǒng)來說，其故障是最嚴重的，必須杜絕。從拆解情況及現(xiàn)場調(diào)研結(jié)果分析故障的主要原因。

(1)球體表面噴涂層脫落是造成閥門卡塞、不能動作的最主要原因。由于噴涂層的脫落，球體噴涂層脫落處在與閥座刮刀接觸時被卡住，球體不能繼續(xù)按原來方向轉(zhuǎn)動，也無法反方向轉(zhuǎn)動。如果無限制加大執(zhí)行機構(gòu)輸出扭矩，還將造成閥座變形，甚至扭斷閥桿的嚴重后果。因此，噴涂層的結(jié)合力非常重要。

(2)閥桿與軸孔配合面的硬度、耐擦傷性能嚴重缺陷，引起相互接觸面十分嚴重的擦傷、甚至產(chǎn)生積瘤，使閥桿卡塞在軸孔中，無法動作，造成球體不能轉(zhuǎn)動，閥門被卡塞。

3.2.3、閥門內(nèi)漏

閥門開關(guān)不到位、球體和閥座密封面磨損和擦傷、閥座反面彈簧補償力缺陷是造成閥門內(nèi)漏的主要原因。因此，若解決了閥門開關(guān)不到位和閥門卡塞、不動作的故障，閥門將不會出現(xiàn)內(nèi)漏。

3.2.4、球體、閥座和流道被沖刷和損壞

由于球體、閥座及閥門本體等均是碳鋼或者不銹鋼材質(zhì)生產(chǎn)制造而成，而碳鋼或者不銹鋼材質(zhì)硬度缺陷，耐流動磨損和耐沖刷性能不好，如果表面沒有開展恰當?shù)挠不幚?，將很容易被高速流動的固體顆粒介質(zhì)沖刷和損壞。4、改良方案

從分析可以看出，產(chǎn)生故障的原因不是單一的，包含了閥門構(gòu)造、材料和工藝等多方面的因素。要從根本上解決煤鎖閥的問題，必須改良該產(chǎn)品的構(gòu)造設(shè)計、材料及制造工藝。

4.1、構(gòu)造設(shè)計

根據(jù)煤鎖閥使用介質(zhì)和工況條件，以及原國外閥門的技術(shù)要點后，對該產(chǎn)品提出了新的改良方案，設(shè)計開發(fā)了一種新構(gòu)造的煤鎖球閥(圖6)。

圖6煤鎖球閥

新構(gòu)造的灰鎖、煤鎖球閥在構(gòu)造設(shè)計上具有幾個技術(shù)特征。

(1)完全密閉的閥座反面碟簧加載構(gòu)造設(shè)計，即使非常細微的煤粉，包括≤90μm的超細煤粉也無法侵入，使閥座與球體始終嚴密配合。

(2)中間閥腔設(shè)置了兩個對稱分布并與外界連通的吹掃口，可以間歇對球體表面和中間閥腔開展吹掃，使閥腔和球體表面沒有煤灰的粘結(jié)、堆積。

(3)閥桿具有板簧自動加載的密封構(gòu)造設(shè)計，超細煤粉無法進入到閥桿與軸套配合處，提高了閥桿與軸套的耐磨性能。

(4)流道設(shè)置了可更換的防沖刷襯套，保護了閥腔和流道免受煤粉顆粒的直接沖刷。

4.2、材料及制造工藝

除了對構(gòu)造設(shè)計開展大量改良之外，針對關(guān)鍵零部件的材料及制造工藝也開展了改良。

(1)采用了中頻感應(yīng)熱噴涂工藝對球體表面和閥座密封面開展噴涂鎳基碳化鎢合金，結(jié)合力不低于基體屈服強度，表面硬度可以到達≥64HRC，厚度≥0.7mm，耐磨層的結(jié)合強度、耐磨性能和抗擦傷性能均得到加強。

(2)對閥桿與軸套接觸面堆焊1mm以上的硬質(zhì)合金耐磨層，提高其接觸應(yīng)力，閥桿的耐磨性能和抗擦傷性能均得到增強。

(3)在防沖刷襯套內(nèi)孔、閥座和球體內(nèi)孔及閥腔內(nèi)部采用HVOF超音速火焰噴涂碳化鎢合金，閥門內(nèi)部與介質(zhì)接觸處增加了耐沖刷保護層。

4.3、實際應(yīng)用

煤鎖球閥經(jīng)過改良構(gòu)造設(shè)計、材料及制造工藝后，在某大型煤氣化改造項目加壓氣化裝置的13臺煤鎖閥連續(xù)運行9個多月后，裝置停車期間對該閥門開展了拆檢，球體和閥座密封面完好、無結(jié)垢、無劃痕，閥腔無煤粉堆積，各項性能指標均在設(shè)計允許范圍之內(nèi)。5、結(jié)語

煤鎖閥作為干煤粉氣化工