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生的原因，介紹了新結構的煤鎖球閥及其技術特征和優越性，并通過實際應用證實，新結構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、煤粉加壓及輸送系統、渣脫除系統和干灰脫除系統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是一個溫度和壓力交變的復雜操作過程，操作條件惡劣，雖然目前大多數煤鎖閥采用的是國外知名品牌和進口產品，但是在其使用過程中仍然出現很多普遍性的故障，且故障率高，連續使用周期短，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

　　煤鎖閥的操作介質為煤粉+ N2或者煤粉+CO2，設計壓力一般為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，設計溫度為-50 ～160℃，正常操作溫度一般為80℃，煤粉經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性。另外，煤粉鎖斗閥的開關頻率較高，每20 ～30min 開關一次，開關時間要求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研，其常見的故障有4 種。①閥門開關不到位。②閥門卡塞，不能動作。③內漏。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不到位，而開關不到位將使閥門局部持續受到介質的高速沖刷，從而造成閥座和球體損壞、閥門內漏等。最嚴重的故障是閥門卡塞、不能動作，這將導致氣化爐系統被迫停車。

　　3.2、故障分析

　　經對多臺不同故障的煤鎖閥進行拆解檢查，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、閥門開關不到位

　　閥門開關不到位發生的頻率最高。根據拆解檢查以及現場調研情況，分析閥門開關不到位的主要原因。

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不足，發生較嚴重的磨損和刮傷后，球體和閥座的摩擦系數增大，閥門實際操作扭矩也增大，超出了設計的安全系數范圍，造成閥門開關不順暢。

　　(2) 閥座上的刮刀尺寸較小，或者閥座背面彈簧補償力不足，造成刮刀實際自清潔作用沒有發揮出來，時間一久，球體表面積灰結垢逐漸嚴重，導致刮刀作用完全失效，閥門動作受阻。

　　(3) 閥座背面彈簧室密封和防塵性能不足，微細煤灰逐步侵入，最后填滿彈簧室空間，閥座移動空間不足，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) 現場動力源不足，或者執行機構考慮的安全系數不足也是造成閥門開關不到位的重要原因。煤鎖球閥在打開或者關閉的整個過程當中，其扭矩力是不斷變化的，最關鍵的有起始扭矩、運行扭矩和終止扭矩，其中任何一個點的安全系數不足都將引起開關不順暢。

　　3.2.2、閥門卡塞

　　閥門卡塞、不能動作對系統來說，其故障是最嚴重的，必須杜絕。從拆解情況及現場調研結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，球體不能繼續按原來方向轉動，也無法反方向轉動。如果無限制加大執行機構輸出扭矩，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、耐擦傷性能嚴重不足，引起相互接觸面十分嚴重的擦傷、甚至產生積瘤，使閥桿卡塞在軸孔中，無法動作，造成球體不能轉動，閥門被卡塞。

　　3.2.3、閥門內漏

　　閥門開關不到位、球體和閥座密封面磨損和擦傷、閥座背面彈簧補償力不足是造成閥門內漏的主要原因。因此，若解決了閥門開關不到位和閥門卡塞、不動作的故障，閥門將不會出現內漏。

　　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生產制造而成，而碳鋼或者不銹鋼材質硬度不足，耐流動磨損和耐沖刷性能不好，如果表面沒有進行恰當的硬化處理，將很容易被高速流動的固體顆粒介質沖刷和損壞。

4、改進方案

　　從分析可以看出，產生故障的原因不是單一的，包含了閥門結構、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，必須改進該產品的結構設計、材料及制造工藝。

　　4.1、結構設計

　　根據煤鎖閥使用介質和工況條件，以及原國外閥門的技術要點后，對該產品提出了新的改進方案，設計開發了一種新結構的煤鎖球閥(圖6) 。

圖6 煤鎖球閥

　　新結構的灰鎖、煤鎖球閥在結構設計上具有幾個技術特征。

　　(1) 完全密閉的閥座背面碟簧加載結構設計，即使非常細微的煤粉，包括≤90μm 的超細煤粉也無法侵入，使閥座與球體始終緊密配合。

　　(2) 中間閥腔設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進行吹掃，使閥腔和球體表面沒有煤灰的粘結、堆積。

　　(3) 閥桿具有板簧自動加載的密封結構設計，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

　　除了對結構設計進行大量改進之外，針對關鍵零部件的材料及制造工藝也進行了改進。

　　(1) 采用了中頻感應熱噴涂工藝對球體表面和閥座密封面進行噴涂鎳基碳化鎢合金，結合力不低于基體屈服強度，表面硬度可以達到≥64HRC，厚度≥0.7mm，耐磨層的結合強度、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 以上的硬質合金耐磨層，提高其接觸應力，閥桿的耐磨性能和抗擦傷性能均得到增強。

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

　　4.3、實際應用

　　煤鎖球閥經過改進結構設計、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 臺煤鎖閥連續運行9 個多月后，裝置停車期間對該閥門進行了拆檢，球體和閥座密封面完好、無結垢、無劃痕，閥腔無煤粉堆積，各項性能指標均在設計允許范圍之內。

5、結語

　　煤鎖閥作為干煤粉氣化工藝裝置的主要閥門，其發生的故障和問題往往直接影響煤粉加壓氣化工藝系統的正常運行，甚至可能造成系統停車。國內設計開發的新結構煤鎖球閥對原有國外同類產品在結構設計、材料及制造工藝上進行了改進，并經過長期實際平穩運行和使用，證實了該閥門的可靠性和優越性，為煤粉加壓氣化工藝裝置中閥門的選用提供了新的和可靠的途徑。