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，現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上，作為啟閉裝置調節閥。該產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，致使驅運力矩增大，閥門開關不夠靈活，上下閥桿設計過大，使用的原材料利用率過低，閥座結構不合理及上密封處有滲水和漏水現象發生。為了解決這些問題，改進了耐磨耐腐蝕球閥結構形式及材料。

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

1 當鍋爐采用機械排渣裝置時，應采用連續除渣方式。
    機械排渣裝置的設計出力，應不小于鍋爐大連續蒸發量時的排渣量；大出力應保證鍋爐4h的排渣量，1h輸送完畢。
    2 當鍋爐采用水封式排渣斗裝置時，應采用定期除渣方式。
    水封式排渣斗的有效容積應能貯存鍋爐大連續蒸發量時不小于9h的排渣量；當鍋爐燃用的煤質較差，灰分很大，其有效容積應能貯存鍋爐大連續蒸發量時不小于5h的排渣量。
    3 電除塵器、省煤器灰斗排灰方式若為定期運行時，每次排灰周期應有不小于2h的間歇時間，灰斗的充滿系數應取0.8。
    4 當采用水力除灰方式時，電除塵器、省煤器灰斗下宜采用箱式沖灰器、攪拌桶等制漿設備。灰斗與制漿設備之間應裝設插板門、電動鎖氣器，并應考慮吸收灰斗和落灰管道的熱膨脹。
    5 擬定水力除灰系統時，應根據工程條件復用電廠排水，不宜使用新水，除灰系統的用水應考慮回收利用，通過技術經濟比較，合理確定制漿方式和灰水濃度。
    灰庫下干灰制漿輸送灰水比宜為1∶2～4；
    除塵器灰斗下制漿設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 廠內灰渣水力輸送有壓力管和灰渣溝兩種方式，設計時應根據廠內除灰渣設備，廠區及主廠房布置以及地下設施等條件，通過技術經濟比較后確定。
    當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 除灰系統的管道設計應符合DL/T5054的要求，管道的流速，應符合下列規定：
    1)清水管道的流速，可按下列數據選取；
    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、化學成分及管材等因素有關，可按下列數據選取：
    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；
    液態渣管不小于   2.2m/s。
    9 在灰渣漿池、沉渣池、濃縮機、脫水倉、澄清池等容易使人跌入池內或高空危險處應設置防護欄桿，必須符合DL5053的要求。
    10 廠內其他系統的排水、污水以及廠區內的雨水等不應排入除灰渣系統。
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，影響閥門整體機械性能。為了向高參數及高性能方向發展，充分發揮鉚焊加工能力特點，參照國內外同類產品，采用混合離散變量的*化設計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，且強度高、韌性好，質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,可調式減壓閥,波紋管減壓閥,活塞式減壓閥閥座密封結構是球閥密封性能的關鍵，直接影響球閥的使用壽命。原閥座密封圈結構(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，產生的力矩相對就大。以DN400的球芯閥座為例，質量為3kg，結構改進后的閥座密封圈(見圖3(b))與球芯為線接觸，接觸面積小，使得閥門開啟靈活，且閥座密封圈質量降低了1/3左右。
1.3 球芯
原球芯直徑設計過大，使用的閥體中腔過大，造成材料浪費，利用率低。原球芯(見圖4(a))質量為380kg，改進后的球芯(見圖4(b))質量為285kg，且改進后的球芯強度、密封位置都能得到保證。改進后，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，不會發生耐磨材料的脫落現象的發生。

圖4 球芯
根據文獻[1]，通孔球閥內徑d=DN，球體徑為R=08DN，球體面距，改進后的球芯*文獻[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復合軸承的尺寸一樣，而DF復合軸承是開口的，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，見圖5。改進后在閥桿與閥體密封處車一個臺階，與DF復合軸承尺寸不一致，各部臺階處有圓角，避免了啃O型密封圈現象的發生。經過重新對閥桿強度計算，閥桿直徑可以比原設計減少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，后進行焊接，再退火處理。按圖車好各部位，裝配時調整很不方便，為此對下閥桿進行如下改進，見圖6。把下閥桿由部件改為兩個單獨的零件，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，現改為閥座是可調試結構(見圖7)，其O型密封圈壓縮量可按如下計算：固定密封時，預壓縮量為025d；滑動密封時，預壓縮量為015d；固定球閥密封時，預壓縮量為015d。

球體、閥座選用F304，采用超音速火焰噴涂技術，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*粘結度的涂層，涂層硬度高達HRC65—90，厚度可達1-2mm，不易被介質中的雜質劃傷和沖刷。使閥門耐磨損，抗沖蝕和抗擠壓能力更強。閥座為彈簧承載補償機構型式，承載彈簧選用采用高溫強度好、高溫下耐腐蝕、抗氧化的Inconel Alloy X－750合金材料制作成環形彈簧，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象，又克服了其他彈簧結構不可避免地被進入的灰渣卡死的情況。閥座上還有兩道防渣結構，防止灰渣流入閥座密封腔。閥座采用金屬寬帶自刮削式結構，可對閥球表面實現自清洗，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構，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已達到或超過國外同類引進產品的水平。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管線，煤化工球閥使用的工況條件十分惡劣，介質具有很強的沖刷性、磨損性及一定的腐蝕性，而且粘度高、易結垢，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工藝，在閥座密封面和球體表面形成耐熱合金熔結層，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點：針對煤化工工況介質易粘結的的特點，在閥座的密封面兩側設置了刮刀裝置，在煤化工閥門啟閉時能自動刮除粘結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、閥座的硬度達到HRC60以上，結合力高。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、灰漿及煤漿等介質工況。產品密封性能好，密封可靠，使用壽命長。  目前國內的渣水處理方法一般采用沉淀池、濃縮機、陶瓷濾磚池等處理方法，也有少數廠家采用絮凝沉淀＋斜管＋砂濾的方式。上述處理技術都存在各種各樣的問題，在處理能力、運行穩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，出水水質差，占地面積大，清池頻繁且工作量大；濃縮機要求入口懸浮物含量低，出水水質差，斜管（板）易堵塞需人工清理，排灰口立管易堵塞導致排泥不暢，常發生壓耙事故；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，勞動強度大；

圖7 閥蓋與閥體間密封
2 結構改進的主要技術參數及特點
2.1 主要技術參數
公稱壓力PN=25MPa；公稱通徑DN=400mm；適用溫度t=-40~100.適用介質為渣水、礦漿、水、石油。
2.2 特點
結構簡單、體積小、質量輕。流體阻力小、全通道、便于清掃。開關輕便、靈活、維修方便、閥座可調。球閥通道及球芯內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為鑄石化學性能表。
表1 鑄石物理性能

表2 鑄石化學性能 %

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 設計計算
3.1 閥體壁厚
球閥剖面圖如圖9所示。閥體的計算厚度SB‘ 為

式中：P1為計算壓力，MPa；Dn為計算內徑，mm；[]為許用拉應力，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
當閥體實際厚度SB≥SB!時，強度合格。
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與通道軸法向夾角，(o)；p2為設計壓力，MPa；DJH、DMN、DMW、R、H和DCH如圖9所示；h為閥門外口的直徑；qMN為球閥小預警比壓。
3.3 閥桿強度
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為軸承產生的摩擦力矩，N.mm。
MQG=MQG1+MQG2
式中：MQG1為閥座對球體的預緊力產生的摩擦力矩，N.mm；MQG2為由介質工作壓力產生的摩擦力矩。

式中：qm為球體小預緊比壓，MPa；fm為球體與密封面摩擦系數(取fm=0.05~0.1)；DQJ為軸徑，設計給定，mm；fz為軸承摩擦系數，取0.05~0.1；p3為介質壓力。
閥桿端頭扭轉剪切應力(見圖10)τ N為

式中為I-I斷面抗轉矩斷面系數，mm3
對于正方形斷面[1]

圖10 閥桿端部

1 結構改進
產品名稱：煤化工硬密封球閥

產品型號：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：黑水、灰水、煤漿、渣水、結晶混合物、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：
黑水，實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碳的水；灰水，實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碳的水經閃蒸處理沉淀澄清去渣后水。黑水、灰水的特點是成分復雜，含大量固體顆粒，容易結垢，氯離子濃度高，含Ｈ2Ｓ和其它酸性物質，高溫高壓。

4 結束語
改進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，改善了球閥密封質量，閥門開關靈活，減輕了操作人員的勞動強度，提高了勞動效率和工作質量。實際運行證明：開關運行可靠，經久耐用、使用壽命長，是目前電廠、礦山除灰、排渣系統較為理想的一種控制閥門。與本產品相關論文：Y42X-600LB美標彈簧薄膜式減壓閥