殼牌和德士古工藝中固體顆粒介質(zhì)用金屬硬密封球閥運行中易出現(xiàn)內(nèi)漏、卡澀等故障，分析了發(fā)生故障的原因，優(yōu)化了球閥的結(jié)構(gòu)，優(yōu)化后的球閥耐磨損、沖刷、高溫，應(yīng)用于煤粉、煤渣等固體顆粒介質(zhì)工況時，使用壽命明顯提高。

一、前言

　　金屬硬密封球閥越來越多地應(yīng)用于殼牌、德士古等行業(yè)，而其應(yīng)用介質(zhì)在油、氣、水的基礎(chǔ)上增加了煤粉、煤渣、渣漿及硅粉等高黏結(jié)性、高硬度的固體顆粒。由于固體顆粒介質(zhì)的特殊性，應(yīng)用于此類介質(zhì)的球閥使用一段時間后，易出現(xiàn)內(nèi)漏、卡澀，開關(guān)不到位等故障。當(dāng)球閥卡澀、開關(guān)不到位等情況出現(xiàn)時，執(zhí)行器的持續(xù)輸出力可能對整閥主要操作件造成破壞，閥門被迫下線維修，進而影響整個生產(chǎn)線。

　　目前，不管是進口品牌硬密封球閥，如BURGMANN、ARGUS、NELES、VTI、MOGAS等，還是國內(nèi)生產(chǎn)的硬密封球閥，應(yīng)用于固體顆粒介質(zhì)工段時，均容易出現(xiàn)內(nèi)漏和卡澀現(xiàn)象。為了增加系統(tǒng)在線正常運行的時間，對金屬硬密封球閥結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，優(yōu)化后的安特威金屬硬密封球閥在含固體顆粒介質(zhì)工段的運行效果良好。

二、故障原因分析

　　根據(jù)客戶使用情況調(diào)查，應(yīng)用于固體顆粒工段的金屬硬密封球閥，故障頻率較高，容易出現(xiàn)內(nèi)漏、卡澀等故障，一般金屬硬密封在線運行時間最多為半年左右，甚至兩三個月就出現(xiàn)故障，這也成為制約整個裝置長期運行的瓶頸。

　　1.內(nèi)漏原因分析

　　球閥內(nèi)漏與工藝介質(zhì)的性質(zhì)、運行條件、密封副涂層材料的選擇等因素相關(guān)。球閥內(nèi)漏直接主要原因：一是密封面涂層沖刷(見圖1)，二是介質(zhì)對密封面的剝落與腐蝕(見圖2)。

圖1 密封面涂層沖刷

圖2 介質(zhì)對密封面的剝落與腐蝕

　　研究表明，金屬硬密封球閥，密封副之間存在著黏結(jié)的現(xiàn)象，如果密封副選取不合適，密封面之間就會產(chǎn)生嚴(yán)重的黏結(jié)，在開關(guān)過程中密封面之間就嚴(yán)重拉傷。

　　球閥在開啟瞬間，由于上下相對游壓差較大，流通間隙較小，流速較快，此時固體顆粒介質(zhì)會對球閥密封副產(chǎn)生強烈的沖刷，隨著球閥開關(guān)頻率不斷增加，沖刷增加而逐漸失效，最終導(dǎo)致球閥嚴(yán)重內(nèi)漏。

　　2.卡澀及開關(guān)不到位原因分析

　　固體顆粒用球閥卡澀及開關(guān)不到位的直接原因如下：

　　1)密封面拉傷。

　　2)固體顆粒介質(zhì)在閥腔內(nèi)堆積。

　　3)軸承、軸套等不做硬化處理或設(shè)計結(jié)構(gòu)不合理。

　　有些工段開啟壓差很大，溫度較高，導(dǎo)致密封面摩擦力較大，開關(guān)所需克服的摩擦力所做的功大部分轉(zhuǎn)化為熱能，升高了密封面的溫度，更加惡化了附著磨損和氧化磨損的趨勢，隨著開關(guān)次數(shù)的增加，密封面很容易拉傷，造成開關(guān)卡澀。

　　采用雙重軸承設(shè)計和軸套硬化處理，既增加閥桿轉(zhuǎn)動的旋轉(zhuǎn)點，又通過增加不同硬度的硬化材料來提高雙重軸承和軸套硬化的耐磨性和強度，保證了閥門長期高頻率地開關(guān)而不會導(dǎo)致閥桿與軸承、軸套拉傷。

三、優(yōu)化方案

　　固體顆粒用金屬硬密封球閥，由于其應(yīng)用介質(zhì)的特殊性，密封面的整體壽命均較短，無法很好地滿足現(xiàn)場實際使用需求，存在很大的安全隱患。從閥門整體結(jié)構(gòu)出發(fā)，優(yōu)化不同部位的設(shè)計，如密封面材質(zhì)選擇、開口碟簧設(shè)計、卸灰槽設(shè)計及閥座結(jié)構(gòu)優(yōu)化等，可有效提高應(yīng)用于固體顆粒的硬密封球閥密封面的使用壽命，進而可提高整個球閥在線運行時間。

　　1.密封面材質(zhì)選擇

　　經(jīng)過國內(nèi)外許多球閥供應(yīng)商試驗研究表明，密封面的涂層材料選擇并非越硬越好，更沒有最佳的適用于任何場合的特殊材料。根據(jù)工藝介質(zhì)條件及操作要求，采用合適硬質(zhì)合金材料，并采用合理的密封結(jié)構(gòu)，才能有效預(yù)防密封副黏結(jié)。

　　在密封面材料選擇上，通過大量的試驗，對幾十種密封副材料進行配比試驗，從中挑出了具有超強工況針對性、抗黏接性、抗氧化性、良好導(dǎo)熱性及導(dǎo)電性的硬質(zhì)合金涂層材料。該硬質(zhì)合金涂層徹底解決了高壓、高溫、純凈氣體工況下硬質(zhì)合金黏結(jié)，氧化、熱量積累以及靜電放電等難題，其應(yīng)用于固體顆粒介質(zhì)時，無論在耐磨性能還是使用壽命上都得到了很大的提升。

　　在密封結(jié)構(gòu)上，采用定量壓縮、雙軸承、開口碟簧補償?shù)冉Y(jié)構(gòu)設(shè)計，保證高溫、常溫和低溫下開關(guān)扭矩穩(wěn)定及開關(guān)到位。

　　2.開口碟簧設(shè)計

　　固體顆粒球閥越來越多地選用碟簧。通常情況下，應(yīng)用碟簧的球閥即使在無壓狀態(tài)下，開啟與關(guān)閉過程中產(chǎn)生的扭矩并不相同，開啟過程中扭矩波動不大，但關(guān)閉過程出現(xiàn)扭矩先最大，再突然變小，然后再逐漸增大。原因是：球體在關(guān)閉的過程中，閥座的側(cè)斜造成起始位置與關(guān)閉位置的碟簧預(yù)緊力不同，相應(yīng)的球座密封副之間產(chǎn)生的摩擦力不同。

　　開口碟簧(見圖3)可解決閥門開啟與關(guān)閉扭矩不同的問題。球閥開啟或關(guān)閉過程中，開口碟簧使開口側(cè)碟簧力變小，此時雖然閥座側(cè)斜，一側(cè)的碟簧壓縮量會增大，但由于開口的影響，使兩側(cè)的力基本相同，保證球閥關(guān)閉與開啟過程中球座密封副產(chǎn)生的摩擦力矩基本恒定，降低了整臺球閥的開關(guān)扭矩，有效降低閥門卡澀故障。

圖3 開口碟簧示意

　　3.卸灰槽設(shè)計

　　進入到碟簧位置的物料相對螺旋彈簧較易排出，但物料同樣會進入碟簧部位，在碟簧與閥體或閥帽之間形成的三角區(qū)域內(nèi)形成堆積。而且隨著壓力的變化，閥座組件會產(chǎn)生少量的位移，碟簧變形產(chǎn)生的空隙就會被固體或漿料介質(zhì)填滿，使碟簧無法復(fù)位，失去其固有的彈性補償功能而處于卡死狀態(tài)，從而造成球與座之間的摩擦力只增不減，越來越大，最終導(dǎo)致球閥開始出現(xiàn)卡澀現(xiàn)象，直至執(zhí)行器無法驅(qū)動球閥，最終導(dǎo)致球閥故障。

　　球閥設(shè)計的卸灰槽(見圖4)已很好地解決了這一難題，物料進入碟簧后，通過卸灰槽排出碟簧后面的灰或漿料，碟簧不會被卡死，良好地保證了閥座的靈活性，從而使該處扭矩很好地控制在設(shè)計范圍內(nèi)，保證了系統(tǒng)的正常運行。

圖4 卸灰槽示意

1.閥球 2.閥座 3.碟簧 4.泄灰槽

　　除了上述所提及的優(yōu)化設(shè)計，針對固體顆粒介質(zhì)用球閥，設(shè)計、生產(chǎn)此類閥門時還確保了以下方面：

　　1)閥座邊緣銳利，起刮刀作用，防止固體顆粒進入閥座與球體的縫隙。

　　2)閥座環(huán)與閥體內(nèi)的閥座槽的表面粗糙度與幾何公差合理，保證其間的石墨密封材料在規(guī)定的操作及設(shè)計溫度下不會被擠壓，同時防止由于熱膨脹引起的閥座黏結(jié)。

　　3)座槽內(nèi)的閥座環(huán)支撐部件在球閥運轉(zhuǎn)過程中不會發(fā)生傾斜。

　　4)閥座表面具有足夠的硬度，無污跡、裂縫或凹痕。

四、結(jié)語

　　金屬硬密封球閥應(yīng)用于煤粉、煤渣、渣漿及硅粉等固體顆粒介質(zhì)時，易出現(xiàn)內(nèi)漏、卡澀、開關(guān)不到位等故障。通過優(yōu)化球閥的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，設(shè)計生產(chǎn)出來的球閥具有壽命長，耐高溫、耐磨損和耐沖刷等特點，已廣泛應(yīng)用于高溫、高壓、腐蝕以及結(jié)晶、沉淀性介質(zhì)工況，如煤化工的鎖煤閥、鎖渣閥、鎖灰閥以及各自的輸送、放空或平衡管線上。