固體顆粒介質用球閥的故障原因分析及解決方案

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

一、前言

　　金屬硬密封球閥越來越多地應用于殼牌、德士古等行業(yè)，而其應用介質在油、氣、水的基礎上增加了煤粉、煤渣、渣漿及硅粉等高黏結性、高硬度的固體顆粒。由于固體顆粒介質的特殊性，應用于此類介質的球閥使用一段時間后，易出現(xiàn)內漏、卡澀，開關不到位等故障。當球閥卡澀、開關不到位等情況出現(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，還是國內生產的硬密封球閥，應用于固體顆粒介質工段時，均容易出現(xiàn)內漏和卡澀現(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構進行優(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)客戶使用情況調查，應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.內漏原因分析

　　球閥內漏與工藝介質的性質、運行條件、密封副涂層材料的選擇等因素相關。球閥內漏直接主要原因：一是密封面涂層沖刷(見圖1)，二是介質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的現(xiàn)象，如果密封副選取不合適，密封面之間就會產生嚴重的黏結，在開關過程中密封面之間就嚴重拉傷。

　　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，此時固體顆粒介質會對球閥密封副產生強烈的沖刷，隨著球閥開關頻率不斷增加，沖刷增加而逐漸失效，最終導致球閥嚴重內漏。

　　2.卡澀及開關不到位原因分析

　　固體顆粒用球閥卡澀及開關不到位的直接原因如下：

　　1)密封面拉傷。

　　2)固體顆粒介質在閥腔內堆積。

　　3)軸承、軸套等不做硬化處理或設計結構不合理。

　　有些工段開啟壓差很大，溫度較高，導致密封面摩擦力較大，開關所需克服的摩擦力所做的功大部分轉化為熱能，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，隨著開關次數(shù)的增加，密封面很容易拉傷，造成開關卡澀。

　　采用雙重軸承設計和軸套硬化處理，既增加閥桿轉動的旋轉點，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而不會導致閥桿與軸承、軸套拉傷。

三、優(yōu)化方案

　　固體顆粒用金屬硬密封球閥，由于其應用介質的特殊性，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。從閥門整體結構出發(fā)，優(yōu)化不同部位的設計，如密封面材質選擇、開口碟簧設計、卸灰槽設計及閥座結構優(yōu)化等，可有效提高應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.密封面材質選擇

　　經(jīng)過國內外許多球閥供應商試驗研究表明，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)工藝介質條件及操作要求，采用合適硬質合金材料，并采用合理的密封結構，才能有效預防密封副黏結。

　　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、良好導熱性及導電性的硬質合金涂層材料。該硬質合金涂層徹底解決了高壓、高溫、純凈氣體工況下硬質合金黏結，氧化、熱量積累以及靜電放電等難題，其應用于固體顆粒介質時，無論在耐磨性能還是使用壽命上都得到了很大的提升。

　　在密封結構上，采用定量壓縮、雙軸承、開口碟簧補償?shù)冉Y構設計，保證高溫、常溫和低溫下開關扭矩穩(wěn)定及開關到位。

　　2.開口碟簧設計

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

　　開口碟簧(見圖3)可解決閥門開啟與關閉扭矩不同的問題。球閥開啟或關閉過程中，開口碟簧使開口側碟簧力變小，此時雖然閥座側斜，一側的碟簧壓縮量會增大，但由于開口的影響，使兩側的力基本相同，保證球閥關閉與開啟過程中球座密封副產生的摩擦力矩基本恒定，降低了整臺球閥的開關扭矩，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)域內形成堆積。而且隨著壓力的變化，閥座組件會產生少量的位移，碟簧變形產生的空隙就會被固體或漿料介質填滿，使碟簧無法復位，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，最終導致球閥開始出現(xiàn)卡澀現(xiàn)象，直至執(zhí)行器無法驅動球閥，最終導致球閥故障。

　　球閥設計的卸灰槽(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計范圍內，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)化設計，針對固體顆粒介質用球閥，設計、生產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。

　　3)座槽內的閥座環(huán)支撐部件在球閥運轉過程中不會發(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、結語

　　金屬硬密封球閥應用于煤粉、煤渣、渣漿及硅粉等固體顆粒介質時，易出現(xiàn)內漏、卡澀、開關不到位等故障。通過優(yōu)化球閥的內部結構，設計生產出來的球閥具有壽命長，耐高溫、耐磨損和耐沖刷等特點，已廣泛應用于高溫、高壓、腐蝕以及結晶、沉淀性介質工況，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。