催化劑再生系統(tǒng)金屬硬密封球閥

之前介紹SY42AX煤礦水管路減壓閥應用案例，現(xiàn)在介紹催化劑再生系統(tǒng)金屬硬密封球閥根據(jù)初步統(tǒng)計，石化和電力行業(yè)中，調(diào)節(jié)閥投資占到管道附件費用的50%，而每年大約有10%的調(diào)節(jié)閥產(chǎn)生腐蝕、泄漏，直至報廢，其中泄漏是閥門失效的主要形式。金屬硬密封球閥適用于高溫、高壓工況及料漿、顆粒介質等易磨損工況，具有流動阻力小、啟閉迅速、使用壓力溫度范圍廣等特點。但是，當介質為液固或氣固混合物料且固體顆粒硬度又很高時，閥門球體和閥體密封面的耐磨性能要求較高，特別是氣固混合介質引起的閥門閥座間的干摩擦，極易造成密封面的過度磨損或拉傷而終導致失效。揚子石化芳烴廠重整催化劑再生系統(tǒng)采用美國某公司的高溫球閥，其壽命短則幾天長則不到一個月。目前解決的辦法是更換閥門或對球體和閥座密封面進行研磨后重新投入使用，但如此頻繁地更換或維修，不僅增加了生產(chǎn)成本和維護人員的勞動強度，且每年因閥門頻繁失效，造成停工、檢修引起的經(jīng)濟損失達數(shù)百萬元。本文以重整催化劑再生系統(tǒng)中已失效的球閥為研究對象，對其進行失效分析，并提出相應的改進措施以提高球閥的使用壽命。在移動床催化裂解裝置上遇到的問題,結合其他類似生產(chǎn)工況的故障現(xiàn)象,分析金屬硬密封球閥產(chǎn)生故障的原因,提出在選型和球閥生產(chǎn)中的一些看法和建議;從使用者的角度上,剖析問題,希望對提升國產(chǎn)球閥的產(chǎn)品質量有所幫助。
1 催化劑再生系統(tǒng)金屬硬密封球閥球閥的結構和工作環(huán)境
上海申弘閥門有限公司主營閥門有：蒸汽減壓閥,減壓閥(氣體減壓閥,可調(diào)式減壓閥,重整催化劑再生系統(tǒng)用球閥主要有動力頭、閥體、閥芯(球體)及其相配合的兩個環(huán)狀閥座和調(diào)節(jié)螺釘?shù)冉M成(如圖1所示)。其工作原理是動力頭帶動球體作90°轉動，球體上的流道也隨之變動，從而實現(xiàn)閥門開啟和關閉的功能。閥體與兩個環(huán)狀閥座接觸面與法蘭端面方向各成約6°的傾斜角。通過設置在底部的調(diào)節(jié)螺釘，可調(diào)節(jié)閥芯與閥體的相對位置，一方面可部分調(diào)整閥座與閥芯的間隙，另一方面可調(diào)整球閥啟閉扭矩的大小。
初步檢驗表明，閥座表面存在十分嚴重的磨損。流體介質(氫氣和氮氣)中夾帶的硬質粉末主要成分為γ-Al，粉末在通過閥門的過程中部分進入閥芯球體和閥座之間的間隙。由于γ-Al粉末硬度很高，且閥門開關頻繁，硬質粉末對球體和環(huán)狀閥座產(chǎn)生嚴重磨損，從而造成了閥門的泄漏。圖1 球閥整體結構示意圖、

球閥密封面不僅受到擦傷、擠壓和沖擊等因素的作用，同時也受到高溫(溫度可達540℃)、高壓流體的沖刷、腐蝕和氧化作用，實際工況條件十分復雜和惡劣，球閥密封面極易損傷。因此，球閥密封副材料的選擇和密封面表面處理狀態(tài)將直接影響球閥的使用壽命。
2催化劑再生系統(tǒng)金屬硬密封球閥 球閥的失效分析
2.1 材料化學成分分析
表1是球閥各部件材料的成分X射線能譜儀(EDS)分析結果。由表1可知，閥芯球體材料為Cr13型馬氏體不銹鋼，閥芯球體表面成分和心部成分基本一致，表明閥芯球體密封面未經(jīng)任何表面處理。球體表面含有少量硫元素，主要是因為待生催化劑顆粒表面含有硫，且球閥在高溫條件下工作，硫不斷滲入球體表面，從而造成了合金成分的不同。閥座材料為鎳基合金CY5SnBiM(ASME標準材料)，鎳元素含量約為74%，鉻元素含量約為12%，同時含有Sn、Bi等低熔點、低硬度有色金屬合金元素，這些元素的存在對閥座密封面的摩擦性能起到了一定程度的改善作用，但也大大提高了該合金材料的熔煉難度。從閥座表面成分和心部成分基本一致這一測試結果可看出，閥座密封面同樣未經(jīng)任何表面處理。閥體合金材料為含Mo的316奧氏體不銹鋼，未經(jīng)表面處理。表1 球閥材料化學成分(質量分數(shù)，%)

2.2 顯微硬度測試
球閥各部件材料的顯微維氏硬度測試結果見表2。從表2中數(shù)據(jù)可以看出，閥芯球體表面硬度，其硬度為545 HV0.2，球閥閥芯球體心部硬度次之，其硬度為512 HV0.2。閥座密封面硬度為400 HV0.2，心部硬度為175 HV0.2，其表面硬度高于心部硬度的原因是由于閥芯和閥座由于機械加工以及表面遭受磨損變形導致的加工硬化。閥座由鎳基合金制成，其加工硬化系數(shù)很高，故其表面與心部的硬度差遠大于閥芯球體。表2　球閥材料維氏硬度測試結果(HV012)

2.3 顯微組織分析
球閥閥芯球體顯微組織如圖2a所示?？梢?，閥芯球體為馬氏體組織，其經(jīng)過淬火和低溫回火熱處理。閥座顯微組織如圖2b所示。閥座基體組織為奧氏體(γ相)，奧氏體組織中有第二相顆粒(Ni-Cr-Sn-Bi金屬間化合物)分布，第二相顆粒硬度略高于閥座母相硬度，可以適當提高合金閥座耐磨性能。
　　閥體合金金相顯微組織如圖2c所示。閥體為316不銹鋼鑄態(tài)組織，其基體為奧氏體(γ相)，其上白色短條狀物為殘留鐵素體(α相)。由于介質幾乎無腐蝕，故殘留鐵素體的存在不會影響材料的使用性能。

2.4　密封面微觀形貌分析
圖3a是已磨損失效的閥芯球體密封面微觀形貌的SEM照片。由圖3a可見，該閥芯球體密封面磨損具有典型的劃傷性磨料磨損特征。當硬質點在負荷作用下滑過或者滾過閥芯球體密封面時，因受壓嵌入密封面，使閥芯球體表面金屬發(fā)生微觀塑性變形。球閥服役周期內(nèi)，這種微觀塑性變形不斷累積，并大量剝離金屬表面，從而造
成閥芯球體表面形狀和尺寸的改變，終導致球閥密封失效。
圖3b是已磨損失效后的閥座密封面微觀形貌的SEM照片。可見，其磨損微觀形貌同樣具有典型的劃傷性磨料磨損特征。由于閥座表面硬度較低，故其微觀磨損痕跡數(shù)量較多，磨損情況相對閥芯球體表面嚴重得多。圖2　球閥各部件的金相照片(a)閥芯球體　(b)閥座　(c)閥體圖3　閥芯球體(a)及閥座(b)密封面的微觀形貌SEM照片

3 結論及改進措施
由球閥的化學成分、硬度、金相組織和密封面微觀形貌分析可知，該球閥為典型的劃傷性磨料磨損失效。失效的主要原因是少量待生催化劑粉末在球閥啟閉過程中進入了密封接觸面，由于γ2Al的硬度遠較球閥密封表面的硬度高，使球閥在頻繁的啟閉過程中產(chǎn)生了較為嚴重的劃傷，從而導致球閥泄漏失效。

鑒于球閥失效分析的研究結果，因此，在球閥進行再制造時對球閥的結構進行了改進，確定了球閥密封副的合理間隙。由于球閥閥芯、閥座和閥體的材料不同，其線性膨脹系數(shù)也不相同，故需合理確定球閥的冷態(tài)和熱態(tài)間隙，使球閥在高溫工況下既能保證有效的密封，又能順利啟閉。另外，采用等離子表面噴涂處理技術，將球閥密封面上噴涂一層Al2O32TiO2的硬質金屬陶瓷涂層，有效提高了球閥密封面的高溫耐磨性，進而延長了球閥的使用壽命。與本文相關的論文：自力式煤氣調(diào)壓閥組?