偏心半球閥在水煤漿工況上的應用與研究

　　針對水煤漿工況條件下使用的偏心半球閥的結構進行了分析和研究，從偏心半球閥的耐磨性、密封面結構及閥門結構進行分析，闡述了偏心半球閥密封面材料配對形式的選擇及機械加工工藝要求。

一、前言

　　水煤漿是一種新型的潔凈液體燃料，是潔凈煤技術的重要組成部分。自問世以來以其具有的代油節(jié)能、高效燃燒和低污染等諸多優(yōu)點備受各國企業(yè)的青睞，但是水煤漿在制造前后具有腐蝕性強、沖蝕強以及顆粒硬度高等特點。我國的水煤漿技術已完成了實驗室和工業(yè)性試驗階段，目前已在大中型電站鍋爐上成功應用，并取得了比較好的經(jīng)濟效益和社會效益。

二、水煤漿系統(tǒng)中閥門失效分析

　　由于水煤漿系統(tǒng)工況條件比較惡劣，目前在水煤漿系統(tǒng)使用的閥門多以進口球閥居多，由于球閥是由旋塞閥演變而來的，它的啟閉件為一個球體，利用球體繞閥桿的軸線旋轉(zhuǎn)90°實現(xiàn)開啟和關閉的目的，在開啟和關閉的過程中，閥球和閥座密封面一直處于接觸狀態(tài)，在這種含有細粉顆粒的工作介質(zhì)中，密封副之間無法避免會有顆粒物質(zhì)進入，在頻繁啟閉時，密封副很可能會出現(xiàn)破壞現(xiàn)象，導致密封失效，甚至會出現(xiàn)閥球卡死現(xiàn)象。但是這種進口球閥昂貴，制造周期長，零配件供應不及時，維修不方便，一旦發(fā)生故障，可能會造成系統(tǒng)停車。根據(jù)工況要求和降低客戶運行成本，研制出了管線輸送水煤漿系統(tǒng)工況下使用的偏心半球閥。

三、偏心半球閥結構特點及工作原理

　　1、結構特點

　　根據(jù)水煤漿工況條件，適用于有腐蝕性、顆粒硬度高工況的新型硬密封偏心半球閥具有很多特點。

　　(1)耐腐蝕

　　能滿足石油化工等行業(yè)對腐蝕性能的特殊要求。

　　(2)雙向密封

　　能保證閥門的雙向密封，使閥門的密封性能提高，保證介質(zhì)逆向流動的密封性能，為防止水煤漿倒流提供安全保障，同時為在線搶修提供可靠的保障。

　　(3)清洗方便

　　由于水煤漿是一種分別由質(zhì)量分數(shù)為不到70%的煤粉、30%的水分以及另加不到1%的化學添加劑(分散劑和穩(wěn)定劑)制備成的煤基液態(tài)燃料。在系統(tǒng)檢修停車時，停留在閥門和管道內(nèi)的煤漿介質(zhì)，極易沉積煤粉顆粒，這樣會導致閥門開車時，無法正常打開。因此在閥體上設有清洗口和排污口，此種結構設計對沖洗閥門防止啟閉卡死起到至關重要的作用。

　　(4)耐沖蝕

　　在密封副上不僅堆焊了具有耐蝕性、耐高溫、耐磨性能好的鈷基合金，密封面堆焊厚度t≥3mm，硬度≥55HRC，而且還在閥腔過流面上噴涂高耐磨性的WC，使得密封副和閥門過流表面硬度≥65HRC，這樣使得閥門具有更好的耐磨性和耐沖刷性能。偏心半球閥(見圖1)在全開位置具有低流阻，流阻系數(shù)幾乎為零。

圖1 偏心半球閥三維圖

　　采用Ansys有限元分析軟件，對半球閥開度為100%時進行了流體域的模擬分析，如圖2所示，最高速出現(xiàn)在進口處紅色部分，整體流道速度分布梯度較小，幾乎維持在中間區(qū)域，圖中數(shù)值與對應顏色比較得出過流比較順暢，流速分布較均勻，整個流態(tài)比較平穩(wěn)，上下兩側(cè)幾乎成對稱態(tài)勢，整個流道內(nèi)流速無明顯增加，壓力局部損失明顯減小。流場的最高流速沒有出現(xiàn)在閥座密封面處。閥瓣密封面處介質(zhì)流速很低，這樣閥瓣的磨損較小，如果結合壓力分布圖分析，局部壓力梯度明顯減少。真空技術網(wǎng)(http://genius-power.com/)認為這種情況下流阻系數(shù)幾乎為零，便能很好地降低能耗。

圖2 偏心半球閥100%開度時流場速度面域分布

　　2、工作原理

　　偏心半球閥的閥體和閥芯回轉(zhuǎn)中心(即閥桿軸線)與閥芯的密封球面的幾何中心偏置一個徑向尺寸e(見圖3)，還與閥座密封面在閥體通道軸線上有個偏置尺寸，偏心半球閥依靠兩個偏心實現(xiàn)自鎖關閉，偏心的合理選配使得自鎖角小于摩擦角，自鎖角選得太小關閉容易，開啟特困難，角度選大了，雖然開啟力小，但關閉力矩迅猛增加，經(jīng)試驗臺的反復試驗，確定兩個搭配合理的偏心量至關重要，可靠的自鎖性能確保其密封嚴密。這是半球閥的核心技術，從結構原理通過制造手段來實現(xiàn)最佳密封效果。

圖3 偏心半球閥示意

四、密封面材料配對和加工工藝

　　密封副材料的配對的選擇直接關系到閥門的性能和使用壽命，根據(jù)機械加工工藝和熱處理條件。選擇閥瓣表面噴涂WC和閥座密封面堆焊司太立合金的形式比較理想。這種配對可以實現(xiàn)閥瓣的密封面的硬度大于閥座處的硬度，能滿足高溫高壓和頻繁開啟的應用場合。由于閥座密封面處堆焊司太立較厚，抗咬合性能較好。

　　零件的加工精度對密封可靠性的提高起到關鍵性作用，尤其是對閥瓣和閥座的加工顯得更加重要。閥瓣密封面處噴涂WC后需要有專用的研磨機磨削加工，閥座堆焊后采用數(shù)控機床加工成與閥瓣相同的SR值的圓弧曲面。當閥瓣和閥座密封面達到一定精度時，兩者進行配對研磨。

五、結語

　　上裝式偏心半球閥的密封性能、經(jīng)濟性能和節(jié)能降耗性能與球閥相比較，優(yōu)越性已顯得十分突出。其整體結構緊湊，可以在線維修，閥瓣與閥座使用密封性好、密封壓力大。密封面間磨損小，使用壽命長，氣動或電動執(zhí)行機構運動靈活，易于實現(xiàn)遠程控制和自動化(可直接進入DCS控制系統(tǒng))，工作可靠，大大降低現(xiàn)場的勞動強度。