耐磨耐腐蝕噴涂碳化鎢球閥

                     上海申弘閥門有限公司

之前介紹 豎式安裝自力式壓力減壓閥注意事項(xiàng)，現(xiàn)在介紹耐磨耐腐蝕噴涂碳化鎢球閥目前鑄石耐磨耐腐蝕球閥安裝在電站鍋爐水除灰管道系統(tǒng)上，作為啟閉裝置調(diào)節(jié)閥。該產(chǎn)品在使用過程中還存在一些問題，如閥座密封與球芯接觸面積大，致使驅(qū)運(yùn)力矩增大，閥門開關(guān)不夠靈活，上下閥桿設(shè)計(jì)過大，使用的原材料利用率過低，閥座結(jié)構(gòu)不合理及上密封處有滲水和漏水現(xiàn)象發(fā)生。為了解決這些問題，改進(jìn)了耐磨耐腐蝕球閥結(jié)構(gòu)形式及材料。

耐磨耐腐蝕噴涂碳化鎢球閥煤化工硬密封球閥結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：
依靠多年積累行業(yè)的技術(shù)，在吸收消化國外優(yōu)先的工藝設(shè)計(jì)理念結(jié)合廠家的實(shí)際使用情況的基礎(chǔ)上研制而成。黑水煤化工硬密封球閥為兩片式與三片式閥體結(jié)構(gòu)，固定球，全通徑設(shè)計(jì)，采用雙閥座設(shè)計(jì)、雙閥座采用閥座閥前密封，兩個閥座均能獨(dú)立切斷進(jìn)口端流體，雙向都能滿足密封要求，實(shí)現(xiàn)雙阻斷功能。球體和閥桿為一體式保證了球體和閥的同心度，避免了頻繁開關(guān)后的球體與閥桿脫離現(xiàn)象。球、桿又采用不同材質(zhì)，球體采用F304，閥桿采用17-4PH，既保證了球的硬度處理的材質(zhì)要求，又保證了閥桿的強(qiáng)度。

1 當(dāng)鍋爐采用機(jī)械排渣裝置時，應(yīng)采用連續(xù)除渣方式。
    機(jī)械排渣裝置的設(shè)計(jì)出力，應(yīng)不小于鍋爐大連續(xù)蒸發(fā)量時的排渣量；大出力應(yīng)保證鍋爐4h的排渣量，1h輸送完畢。
    2 當(dāng)鍋爐采用水封式排渣斗裝置時，應(yīng)采用定期除渣方式。
    水封式排渣斗的有效容積應(yīng)能貯存鍋爐大連續(xù)蒸發(fā)量時不小于9h的排渣量；當(dāng)鍋爐燃用的煤質(zhì)較差，灰分很大，其有效容積應(yīng)能貯存鍋爐大連續(xù)蒸發(fā)量時不小于5h的排渣量。
    3 電除塵器、省煤器灰斗排灰方式若為定期運(yùn)行時，每次排灰周期應(yīng)有不小于2h的間歇時間，灰斗的充滿系數(shù)應(yīng)取0.8。
    4 當(dāng)采用水力除灰方式時，電除塵器、省煤器灰斗下宜采用箱式?jīng)_灰器、攪拌桶等制漿設(shè)備?；叶放c制漿設(shè)備之間應(yīng)裝設(shè)插板門、電動鎖氣器，并應(yīng)考慮吸收灰斗和落灰管道的熱膨脹。
    5 擬定水力除灰系統(tǒng)時，應(yīng)根據(jù)工程條件復(fù)用電廠排水，不宜使用新水，除灰系統(tǒng)的用水應(yīng)考慮回收利用，通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，合理確定制漿方式和灰水濃度。
    灰?guī)煜赂苫抑茲{輸送灰水比宜為1∶2～4；
    除塵器灰斗下制漿設(shè)備的輸送灰水比宜為1∶4～7。
    6 高濃度水力輸送灰水比宜小于1∶1.5。
    7 廠內(nèi)灰渣水力輸送有壓力管和灰渣溝兩種方式，設(shè)計(jì)時應(yīng)根據(jù)廠內(nèi)除灰渣設(shè)備，廠區(qū)及主廠房布置以及地下設(shè)施等條件，通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后確定。
    當(dāng)灰渣需排至高位渣斗或脫水倉時，宜采用灰渣泵或水力噴射器直接輸送。
    8 除灰系統(tǒng)的管道設(shè)計(jì)應(yīng)符合DL/T5054的要求，管道的流速，應(yīng)符合下列規(guī)定：
    1)清水管道的流速，可按下列數(shù)據(jù)選??；
    離心水泵吸水管道：0.5m/s～1.5m/s；
    離心水泵出水管道和其他壓力水管道：2m/s～3m/s；
    無壓力排水管道：小于1.0m/s。
    2)灰渣管的流速與灰渣漿濃度、灰渣粒徑、化學(xué)成分及管材等因素有關(guān)，可按下列數(shù)據(jù)選?。?br />    灰管不小于           1.0m/s；
    灰渣管不小于       1.6m/s；
    渣管不小于           1.8m/s；
    液態(tài)渣管不小于   2.2m/s。
    9 在灰渣漿池、沉渣池、濃縮機(jī)、脫水倉、澄清池等容易使人跌入池內(nèi)或高空危險(xiǎn)處應(yīng)設(shè)置防護(hù)欄桿，必須符合DL5053的要求。
    10 廠內(nèi)其他系統(tǒng)的排水、污水以及廠區(qū)內(nèi)的雨水等不應(yīng)排入除灰渣系統(tǒng)。
1.1 閥體

圖1 鑄造閥體

圖2 鉚焊閥體
過去的閥體多為鑄造件(見圖1)，鑄造過程中存在著不確定因素，如氣孔、砂眼、疏松、夾渣、縮孔、裂紋等，影響閥門整體機(jī)械性能。為了向高參數(shù)及高性能方向發(fā)展，充分發(fā)揮鉚焊加工能力特點(diǎn)，參照國內(nèi)外同類產(chǎn)品，采用混合離散變量的*化設(shè)計(jì)方法及韌性好的鋼板材料焊接而成，見圖2。與鑄造件比較，鋼板焊接的閥體壁厚可以減薄，且強(qiáng)度高、韌性好，質(zhì)量比鑄造的閥體可減輕約1/6。
1.2 閥座

圖3 閥座密封圈
上海申弘閥門有限公司主營閥門有：減壓閥(氣體減壓閥,可調(diào)式減壓閥,波紋管減壓閥,活塞式減壓閥閥座密封結(jié)構(gòu)是球閥密封性能的關(guān)鍵，直接影響球閥的使用壽命。原閥座密封圈結(jié)構(gòu)(見圖3(a))由于閥座密封圈角度太大，與球芯接觸面積大，抱球芯抱的緊，產(chǎn)生的力矩相對就大。以DN400的球芯閥座為例，質(zhì)量為3kg，結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的閥座密封圈(見圖3(b))與球芯為線接觸，接觸面積小，使得閥門開啟靈活，且閥座密封圈質(zhì)量降低了1/3左右。
1.3 球芯
原球芯直徑設(shè)計(jì)過大，使用的閥體中腔過大，造成材料浪費(fèi)，利用率低。原球芯(見圖4(a))質(zhì)量為380kg，改進(jìn)后的球芯(見圖4(b))質(zhì)量為285kg，且改進(jìn)后的球芯強(qiáng)度、密封位置都能得到保證。改進(jìn)后，球芯充填層加大，使用得耐磨層材料玄武巖鑄石粘貼更加牢固，不會發(fā)生耐磨材料的脫落現(xiàn)象的發(fā)生。

圖4 球芯
根據(jù)文獻(xiàn)[1]，通孔球閥內(nèi)徑d=DN，球體徑為R=08DN，球體面距，改進(jìn)后的球芯*文獻(xiàn)[1]的要求。D為球閥外徑。
1.4 上閥桿
原DN400閥桿是由2Cr13150棒料車制而成，由于上閥桿的O型密封圈與DF復(fù)合軸承的尺寸一樣，而DF復(fù)合軸承是開口的，裝配起來很不方便，且維修起來也很麻煩。為此，對上閥桿做了改進(jìn)，見圖5。改進(jìn)后在閥桿與閥體密封處車一個臺階，與DF復(fù)合軸承尺寸不一致，各部臺階處有圓角，避免了啃O型密封圈現(xiàn)象的發(fā)生。經(jīng)過重新對閥桿強(qiáng)度計(jì)算，閥桿直徑可以比原設(shè)計(jì)減少20%左右。

圖5 上閥桿
1.5 下閥桿
原下閥桿由下軸和法蘭組成，首先車好下軸和法蘭止口，后進(jìn)行焊接，再退火處理。按圖車好各部位，裝配時調(diào)整很不方便，為此對下閥桿進(jìn)行如下改進(jìn)，見圖6。把下閥桿由部件改為兩個單獨(dú)的零件，這樣可以省去退火處理工序，而且加工起來也很方便，且成本降低不少。

圖6 下閥桿
1.6 球閥閥座
原閥座與球芯是固定不變的，現(xiàn)改為閥座是可調(diào)試結(jié)構(gòu)(見圖7)，其O型密封圈壓縮量可按如下計(jì)算：固定密封時，預(yù)壓縮量為025d；滑動密封時，預(yù)壓縮量為015d；固定球閥密封時，預(yù)壓縮量為015d。

球體、閥座選用F304，采用超音速火焰噴涂技術(shù)，以三倍音速以上的速度在表面噴涂碳化鎢材料，形成致密的有*粘結(jié)度的涂層，涂層硬度高達(dá)HRC65—90，厚度可達(dá)1-2mm，不易被介質(zhì)中的雜質(zhì)劃傷和沖刷。使閥門耐磨損，抗沖蝕和抗擠壓能力更強(qiáng)。閥座為彈簧承載補(bǔ)償機(jī)構(gòu)型式，承載彈簧選用采用高溫強(qiáng)度好、高溫下耐腐蝕、抗氧化的Inconel Alloy X－750合金材料制作成環(huán)形彈簧，外包耐高溫的特種橡膠，既避免了多個柱簧形式的受力變形不均勻現(xiàn)象，又克服了其他彈簧結(jié)構(gòu)不可避免地被進(jìn)入的灰渣卡死的情況。閥座上還有兩道防渣結(jié)構(gòu)，防止灰渣流入閥座密封腔。閥座采用金屬寬帶自刮削式結(jié)構(gòu)，可對閥球表面實(shí)現(xiàn)自清洗，防止灰渣堵塞在密封面上。金屬密封球閥的閥體上放閥桿填料的位置加雙相鋼套筒，采用多層填料的密封結(jié)構(gòu)，防吹出閥桿可保障閥桿密封和安全可靠。煤化工硬密封球閥的主要指標(biāo)已達(dá)到或超過國外同類引進(jìn)產(chǎn)品的水平。煤化工球閥主要用于輸送黑水、灰水、煤漿等含固體顆粒的混流體介質(zhì)管線，煤化工球閥使用的工況條件十分惡劣，介質(zhì)具有很強(qiáng)的沖刷性、磨損性及一定的腐蝕性，而且粘度高、易結(jié)垢，煤化工閥門要求能夠耐高溫高壓。采用鎳-鉻基自熔性耐熱合金熔結(jié)工藝，在閥座密封面和球體表面形成耐熱合金熔結(jié)層，提高了球體和閥座的密封面硬度、耐磨性和耐高溫性，為煤化工球閥的高使用壽命提供了可靠的保障。煤化工球閥具有以下優(yōu)點(diǎn)：針對煤化工工況介質(zhì)易粘結(jié)的的特點(diǎn)，在閥座的密封面兩側(cè)設(shè)置了刮刀裝置，在煤化工閥門啟閉時能自動刮除粘結(jié)在球體密封面上的臟物，保持球體密封面的清潔，保證球體與閥座很好的貼合，使閥門始終具有良好的密封性能；球體、閥座的硬度達(dá)到HRC60以上，結(jié)合力高。煤化工硬密封球閥用于啟閉頻繁（半個小時動作一次）、啟閉速度快（一般為3秒至10秒）、高溫、高壓（一般采用Class600至Class900壓力級）、含有大量的固體硬顆粒的灰水、黑水、灰漿及煤漿等介質(zhì)工況。產(chǎn)品密封性能好，密封可靠，使用壽命長。  目前國內(nèi)的渣水處理方法一般采用沉淀池、濃縮機(jī)、陶瓷濾磚池等處理方法，也有少數(shù)廠家采用絮凝沉淀＋斜管＋砂濾的方式。上述處理技術(shù)都存在各種各樣的問題，在處理能力、運(yùn)行穩(wěn)定可靠性上還有所欠缺。如采用沉淀池工藝懸浮物去除率較低，出水水質(zhì)差，占地面積大，清池頻繁且工作量大；濃縮機(jī)要求入口懸浮物含量低，出水水質(zhì)差，斜管（板）易堵塞需人工清理，排灰口立管易堵塞導(dǎo)致排泥不暢，常發(fā)生壓耙事故；陶瓷濾磚池的占地面積大，需要人工清池和反沖洗，清池頻繁，勞動強(qiáng)度大；

圖7 閥蓋與閥體間密封
2 結(jié)構(gòu)改進(jìn)的主要技術(shù)參數(shù)及特點(diǎn)
2.1 主要技術(shù)參數(shù)
公稱壓力PN=25MPa；公稱通徑DN=400mm；適用溫度t=-40~100.適用介質(zhì)為渣水、礦漿、水、石油。
2.2 特點(diǎn)
結(jié)構(gòu)簡單、體積小、質(zhì)量輕。流體阻力小、全通道、便于清掃。開關(guān)輕便、靈活、維修方便、閥座可調(diào)。球閥通道及球芯內(nèi)襯玄武巖鑄石耐磨材料起到耐磨防腐的作用。鑄石材料有*的耐磨、耐腐蝕性能。表1為鑄石物理性能表，表2為鑄石化學(xué)性能表。
表1 鑄石物理性能

表2 鑄石化學(xué)性能 %

在相同條件下，幾種材料的磨損量如圖8所示。

圖8 幾種材料的磨損量
3 設(shè)計(jì)計(jì)算
3.1 閥體壁厚
球閥剖面圖如圖9所示。閥體的計(jì)算厚度SB‘ 為

式中：P1為計(jì)算壓力，MPa；Dn為計(jì)算內(nèi)徑，mm；[]為許用拉應(yīng)力，MPa；C為裕量，包括鑄造偏差工藝性腐蝕因素。

圖9 球閥剖面圖
當(dāng)閥體實(shí)際厚度SB≥SB!時，強(qiáng)度合格。
3.2 密封比壓
閥前密封比壓qi為

閥后密封比壓q0為

驗(yàn)算合格條件為qMN<q<[q]
式中：q為密封面上必需的比壓，MPa；[q]為密封面許用比壓，MPa；為球體的密封圈接觸點(diǎn)與通道軸法向夾角，(o)；p2為設(shè)計(jì)壓力，MPa；DJH、DMN、DMW、R、H和DCH如圖9所示；h為閥門外口的直徑；qMN為球閥小預(yù)警比壓。
3.3 閥桿強(qiáng)度
閥桿力矩公式為
MF=MQG+MFT+MZC
式中：MF為閥桿力矩，N.mm；MQG為球體與閥座密封面間的摩擦力矩，N.mm；MFT為填料與閥桿閥的摩擦力矩；MZC為軸承產(chǎn)生的摩擦力矩，N.mm。
MQG=MQG1+MQG2
式中：MQG1為閥座對球體的預(yù)緊力產(chǎn)生的摩擦力矩，N.mm；MQG2為由介質(zhì)工作壓力產(chǎn)生的摩擦力矩。

式中：qm為球體小預(yù)緊比壓，MPa；fm為球體與密封面摩擦系數(shù)(取fm=0.05~0.1)；DQJ為軸徑，設(shè)計(jì)給定，mm；fz為軸承摩擦系數(shù)，取0.05~0.1；p3為介質(zhì)壓力。
閥桿端頭扭轉(zhuǎn)剪切應(yīng)力(見圖10)τ N為

式中為I-I斷面抗轉(zhuǎn)矩?cái)嗝嫦禂?shù)，mm3
對于正方形斷面[1]

圖10 閥桿端部

1 結(jié)構(gòu)改進(jìn)
產(chǎn)品名稱：煤化工硬密封球閥

產(chǎn)品型號：Q347Y/WC/TC、Q647Y/WC/TC、Q947Y/WC/TC

公稱通徑：DN25-DN500(1″-20″)

公稱壓力：PN1.6MPa～PN42.0MPa（CLASS150Lb～CLASS2500Lb）

連接方式：法蘭

驅(qū)動方式：手動、氣動、電動

閥體材料：碳鋼、不銹鋼、雙相鋼

適用介質(zhì)：黑水、灰水、煤漿、渣水、結(jié)晶混合物、煤粉及其他粉末等

適用溫度：-40℃～550℃。

煤化工硬密封球閥的使用介質(zhì)：
黑水，實(shí)際上也就是直接從氣化爐、洗滌塔兩部分底部直接排出的含有大多氣化殘?zhí)嫉乃换宜?，?shí)際上也就是直接從氣化爐、洗滌塔兩部分底部直接排出的含有大多氣化殘?zhí)嫉乃?jīng)閃蒸處理沉淀澄清去渣后水。黑水、灰水的特點(diǎn)是成分復(fù)雜，含大量固體顆粒，容易結(jié)垢，氯離子濃度高，含Ｈ2Ｓ和其它酸性物質(zhì)，高溫高壓。

4 結(jié)束語
改進(jìn)后的耐磨耐腐蝕球閥，消除了顆粒對閥門的磨粒磨損及腐蝕問題，改善了球閥密封質(zhì)量，閥門開關(guān)靈活，減輕了操作人員的勞動強(qiáng)度，提高了勞動效率和工作質(zhì)量。實(shí)際運(yùn)行證明：開關(guān)運(yùn)行可靠，經(jīng)久耐用、使用壽命長，是目前電廠、礦山除灰、排渣系統(tǒng)較為理想的一種控制閥門。與本產(chǎn)品相關(guān)論文：Y42X-600LB美標(biāo)彈簧薄膜式減壓閥