介紹了高溫摻合閥的結構特點，并針對目前高溫摻合閥實際操作使用中閥芯容易燒損、脫落等問題，從閥芯的結構及材料入手提出了改進措施。改進后的碳化鎢硬質合金閥芯使用壽命有了很大的提高，較改進前閥芯使用壽命延長了3倍以上。

　　高溫摻合閥是石油化工尾氣、天然氣等過程氣脫硫過程中的環(huán)保專用設備。荊門煉化機械公司生產的高溫摻合閥上安裝在硫磺回收裝置燃燒爐的出口管線上，其作用是控制熱流混合氣體的流量，用來調節(jié)熱流和冷流混合氣體的摻合量，并使其處于最佳溫度范圍時進入轉化器轉化。

1、工藝參數(shù)及結構特點

　　(1)工藝參數(shù)。操作介質：H2S、SO2、CO2、H2O，空氣等混合氣體。操作溫度：冷流～150℃，熱流1200～1400℃，混合流260℃。操作壓力(表)：0.025～0.035MPa。

　　(2)結構特點。閥體主體為20號無縫鋼管和Q235-B鋼板的組合件(根據介質及操作條件的不同，閥體部分也有用不銹鋼閥體)，其下部熱流入口是用TA-218耐磨襯里做成的耐磨套，隔熱襯里為含鋯陶纖澆注料，澆注在閥體和TA-218耐磨套之間。閥座圈材質為ZG1Cr25Ni20Si2，閥座圈焊接在閥體殼體上。下閥桿材料為1Cr25Ni20Si2。閥桿填料箱設置蒸汽夾套保溫，以避免含硫氣體冷凝后對閥桿產生露點腐蝕。

　　高溫摻合閥(見圖1)的下法蘭同燃燒爐的出口法蘭直接相連，熱流從閥門的下部進入熱流通道，閥芯在閥桿的帶動下，上下移動，控制閥座的開口面積，以達到調節(jié)熱流流量的目的。熱流和冷流在閥體內形成混合氣，通過調節(jié)熱流流量的大小，使混合流的溫度達到最佳溫度范圍。閥體上端配有帶閥門定位器的氣動執(zhí)行機構，可接受4～20mA的調節(jié)信號，進行調節(jié)控制。

圖1 高溫摻合閥示意

1—閥體　2—填料箱　3—執(zhí)行機構　4—上閥桿　5—下閥桿　6—閥芯　7—閥座圈　8—耐磨襯套

　　(3)高溫摻合閥在使用中出現(xiàn)的問題。早期由于硫磺回收裝置的規(guī)模小，處理量小，燃燒爐的溫度在小于1200℃，閥芯材質為1Cr25Ni20Si2，閥門很少出現(xiàn)問題。后來隨著回收裝置規(guī)模的擴大處理量增加，導致燃燒爐的溫度隨之升高，現(xiàn)已達到1400℃，最高時可達約1600℃。高溫摻合閥在使用過程中也隨之出現(xiàn)故障：閥芯被熔化;閥芯和閥桿之間的連接脫落導致閥門無法正常調節(jié);閥門在全關時達不到關閉的要求等。經過調查研究后認為，由于現(xiàn)役硫磺回收裝置的處理量加大，導致燃燒爐內的溫度及熱流出口溫度遠遠高于早期的溫度，而且遠遠超過閥芯材料的正常使用溫度(1150℃)，熱流出口的高溫氣流直接作用在閥芯上，閥芯在約1400℃高溫、酸性介質腐蝕及高溫氣流沖刷的共同作用下，很快就被燒損甚至熔毀報廢，致使高溫摻合閥無法正常使用，這也成為裝置安全長周期運行的一個重大隱患。

2、高溫摻合閥閥芯的改進

2.1、方案Ⅰ/1Cr25Ni20Si2閥芯表面噴氧化鋯

　　在原1Cr25Ni20Si2拋物線型閥芯(見圖2)表面噴一層氧化鋯。氧化鋯是一種很好的高溫耐磨陶瓷材料，具有強度高、硬度高和韌性佳，空氣中穩(wěn)定使用最高溫度可達1800℃。我們曾在中石化荊門分公司硫磺回收裝置上進行試驗，在高溫摻合閥投用約4個月后出現(xiàn)了氧化鋯剝落和閥芯被熔化的現(xiàn)象。通過分析其原因主要是：1Cr25Ni20Si2和氧化鋯之間的熱膨脹系數(shù)不一致，閥芯基體膨脹量大，可引起表面材料開裂，加之閥芯基體和表面材料之間結合不緊密而導致表面氧化鋯層剝落，氧化鋯層剝落的閥芯直接作用在高溫氣流之下，最終被熔毀。

圖2 1Cr25Ni20Si2拋物線型閥芯

2.2、方案Ⅱ/1Cr25Ni20Si2加TA-218閥芯

　　1Cr25Ni20Si2+(TA-218)閥芯目前使用最為廣泛，閥芯基體采用1Cr25Ni20Si2材質，閥芯表面襯有20mm厚TA-218耐磨襯里，該襯里和閥芯之間用掛片連接與固定。掛片為半圓環(huán)型或拋物線型，沖有舌形孔，數(shù)量為6～8件。掛片材質為1Cr25Ni20Si2，掛片與閥芯之間焊接連接。攪拌好的襯里材料通過搗打，壓實，使之緊密地固定在閥芯表面，經襯里養(yǎng)生及烘烤后使用。

　　TA-218作為在高溫下具有強度好、硬度高、耐腐蝕，最高使用溫度可達1600℃。其參數(shù)指標見表1。

表1 TA-218性能參數(shù)

　　1Cr25Ni20Si2+(TA-218)閥芯有拋物線型[見圖3(a)]和半球型[見圖3(b)]兩種結構。拋物線型結構的閥芯調節(jié)性能好，但高度方向尺寸較大，閥門在實際使用過程中，閥芯始終處于高溫區(qū)域，工況較為惡劣，其使用壽命受影響;半球型結構的閥芯調節(jié)性能相對較差，但高度方向尺寸較小，在閥門的全開狀態(tài)下，能使閥芯遠離高溫氣流區(qū)域，處于冷流中，避免了閥芯長期處于高溫氣流區(qū)，對延長閥芯使用壽命有積極作用。

圖3 兩種閥芯

1—閥芯基體　2—襯里材料

　　綜合考慮閥門的調節(jié)性能和閥芯的使用壽命等因素，我們以高溫摻合閥熱流口徑的大小作為高溫摻合閥閥芯結構的選型依據，一般情況下，熱流口徑大于等于Φ100時選用半球型結構，熱流口徑小于Φ100時選用拋物線型結構。

　　TA-218耐磨襯里在高溫下體積收縮，1Cr25Ni20Si2閥芯基體高溫下產生膨脹，由于膨脹量的差異，閥芯在使用一段時間后，掛片與閥芯焊接處容易脫焊，致使閥芯耐磨襯里層脫落，導致閥門無法正常調節(jié)，嚴重時脫落的耐磨襯里會堵住熱流出口，導致裝置無法滿負荷運轉甚至停工。

　　1Cr25Ni20Si2+(TA-218)閥芯的正常使用壽命約6～8個月，雖然較方案Ⅰ有了一定的提高，但仍然無法滿足裝置長周期安全運行的需要。

2.3 、方案Ⅲ/碳化鎢硬質合金閥芯

　　硬質合金是由難熔金屬的硬質化合物和粘結金屬通過粉末冶金工藝制成的一種合金材料。硬質合金具有硬度高、耐磨、耐熱、耐腐蝕、強度和韌性較好等一系列優(yōu)良性能，特別是它的高硬度和耐磨性，即使在500℃的溫度下也基本保持不變，在1000℃時仍有很高的硬度。目前常用的硬質合金分兩大類：一類是鎢鈷系，它是以碳化鎢為基，用鈷作粘結劑，經壓制、燒結而成的，我國的牌號用“YG”表示;另一類是鎢鈦鈷系(用“YT”表示)和鎢鈦錫鈷系(用“YW”表示)，鎢鈦鈷系列以碳化鎢、碳化鈦為基體，鎢鈦錫鈷系列以碳化鎢、碳化鈦和碳化鈮為基體。鎢鈦鈷系和鎢鈦錫鈷系均用鈷作粘結劑，經壓制、燒結而成。

　　高溫摻合閥閥芯選用鎢鈷系硬質合金，牌號為YG8，它除了具有很高的硬度和強度外，還有較好的韌性及耐腐蝕性，適合于制作機械加工用刀具，冷擠壓模具材料、機械設備及腐蝕環(huán)境中的耐磨零件如泵的密封環(huán)、閥門的閥座、鈾承套等。

　　YG8硬質合金碳化鎢含量92%，鈷作為粘接劑含量為8%，其性能參數(shù)見表2。

表2 YG8性能參數(shù)

　　YG8硬質合金閥芯以碳化鎢為基，用鈷作粘結劑，經壓制、燒結而成的，其加工制造工藝：粉末制造→摻膠制粒→模具壓制成型→半成品加工→脫膠→燒結成型(1500℃真空燒結)→成品加工。

　　早期試制的碳化鎢硬質合金閥芯采用拋物線型結構，這種結構調節(jié)性能好，但外形結構較為復雜，制造加工較為困難。由于碳化鎢硬質合金加工工藝的局限性，拋物線型碳化鎢硬質合金閥芯在制造時廢品率較高，廢品率超過50%，致使碳化鎢硬質合金閥芯的制造成本很高。為了保證閥門使用性能的同時盡可能的降低成本，我們通過深入的分析研究并經過多次試驗，最終將高溫摻合閥閥芯設計成圓錐型結構(見圖4)，即閥芯外形為圓錐形，圓錐錐角α為30°～60°，閥芯內部為空心結構，以減輕閥芯重量。圓錐型結構閥芯具有結構簡單、體積小、重量輕等優(yōu)點。圓錐型結構芯外形為圓錐形，結構簡單，便于加工制造，加工制造時成品率可控制在95%以上，極大地降低了閥芯的制造成本;與拋物線型結構閥芯相比，圓錐型結構閥芯體積小、重量輕，同一規(guī)格閥芯圓錐型結構要比拋物線型結構輕10%～20%。相對于拋物線型閥芯來講，圓錐型閥芯調節(jié)性能略差，但完全能滿足高溫摻合閥生產調節(jié)的需要。在設計閥芯時根據高溫摻合閥的熱流口徑及閥門行程來確定閥芯圓錐錐角的大小。熱流口徑越小，閥芯圓錐錐角越小;閥門行程越大，閥芯圓錐錐角越小。

圖4 碳化鎢硬質合金閥芯

　　碳化鎢硬質合金閥芯單件制造成本較高，其制造成本約為1Cr25Ni20Si2+(TA-218)閥芯2～2.5倍，但碳化鎢硬質合金閥芯的使用壽命長，是1Cr25Ni20Si2+(TA-218)閥芯的3倍以上。在確保裝置安全長周期運行的前提下，碳化鎢硬質合金閥的性價比最好。目前，碳化鎢硬質合金閥芯已在中石化及地方煉油廠共計十余套裝置上投用，投用最長時間已連續(xù)運行超過26個月。

　　綜上所述，第Ⅲ套方案的調節(jié)性能較好，使用壽命長，在生產裝置中得以采用。