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煤化工行業用金屬密封球閥的選型及應用
煤化工行業用金屬密封球閥的選型及應用
浙江摩根閥門有限公司技術提供
摘要 介 了在煤制油工 程中金屬密封耐磨球 的 型和市 需求及 用 域，分析了金屬密封浮 球球 和固定球球 的 構特性和 型及 用。
關鍵詞 煤化工; 金屬密封球閥; 耐磨閥門; 浮動球; 固定球; 熱噴涂
Abstract: Introduces the selection and market demands as well as application fields of metal seal wear
－ resisting ball valve in the process of coal to oil production，analyses the structure characteristics，se-lection and application for metal seal floating ball valve and fixed ball valve．
Key words: coal chemical; metal seal; ball valve; wear valve; floating ball; fixed ball; thermal spray
1 煤化工用金屬密封球閥概述
煤化工是將煤通過熱加工和催化加工轉化為各種燃料和化工產品的過程。煤化工及煤制油項目首先要進行煤氣化，在高溫下將煤、焦炭等固體燃料與氣化劑反應，轉化為氣體產物和殘渣。煤氣化所用的氣化劑主要為蒸汽、高壓高純度氧氣及其混合氣體，氣化反應包括了一系列均相與非均相化學反應。所得氣體產物因所用原料煤質、氣化劑的種類和氣化過程不同而具有不同的組成，可分為煤氣、半水煤氣及水煤氣等。在煤化工產業的煤制油、煤制烯烴及大型煤化成套系統中，金屬密封耐磨球閥作為一種耐磨損的管路系統截斷及流量控制的部件得到了極為廣泛的應用。
2 煤制油工藝過程
煤制油工藝是以煤炭為原料，通過化學加工方法將固態的煤轉化合成為液態的石油燃料產品，其工藝可分為直接液化和間接液化。
2. 1 直接液化
直接液化是先將煤炭磨成煤粉與溶劑配制成油煤漿，然后在高溫、高壓下將煤中復雜的有機高分子結構直接轉換為較低分子液體燃料。在精制后制得優質的油品，其工藝過程見圖 1。直接液化油回收率高，可達 63% ～ 68% ，煤消耗量小，生產液化油，需消耗洗精煤約 2. 4t。餾分油以汽、柴油為主，目標產品的選擇性相對較高。油煤漿進料，設備體積小，投資和運行費用低。 直接液化的反應條件相對較苛刻。
溫度要求過高，液化壓力為 17. 0 ～ 30. 0MPa，溫度為 430 ～ 470℃ 。出液化反應器的產物組成較復雜，液、固兩相混合物由于粘度較高，分離相對困難。氫耗量大，一般在 6% ～ 10% 。
2. 2 間接液化
間接液化是將煤炭在高溫下氣化，轉化為合成氣 ( CO 和 H2 ) ，再經過費－ 托合成可制得優質燃料 ( 汽油、柴油和航空燃料) 和化工原料。合成條件較溫和，反應壓力 2. 0 ～ 3. 0MPa，反應溫度低于 350℃ 。轉化率高，如 SASOL 公司 SAS 工藝采用熔鐵催化劑，合成氣的一次通過轉化率達到 60% 。
由于煤基間接液化反應物均為氣相，所以其工藝設備體積龐大，投資和運行費用高。間接液化全部需要依賴于煤的氣化，其煤耗量大且合成副產物
較多，目標產品的選擇性相對較低。
3 閥門特性要求
3. 1 工況條件
煤制油、油改煤及煤氣化等煤化工系統處于介質 ( 煤渣) 高硬度、高壓力及高溫度的工況，閥門應具有耐磨、耐沖刷、防結垢、防結疤及快速切斷等 功 能。閥 門 口 徑 大 ( 一 般 為 DN300 ～ DN450) 、啟閉頻繁且速度快 ( 30min 動作一次，5～ 10s / 次) ，要求閥門密封性能好，可靠性高。目前，特級耐磨球閥已廣泛用于德士古爐煤化工和煤制油行業，其介質水煤漿中包含 58% ～ 67% 的煤粉固體。黑水系統及灰漿系統中含有大量渣漿等特硬固體顆粒，在閥門腔體內沉積、堵塞或結垢，難于清除 ( 表 1) 。
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表 1 煤化工用閥門特殊要求 |
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特殊要求 |
閥門性能 |
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使用溫度 |
≤550℃ |
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閥座密封等級 |
ANSI /FCI 70 － 2 的 ClassⅤ級 /API 598 |
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啟閉動作 |
5 ～ 10s / 次( 氣動裝置) |
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閥門強度 |
高強度軸承及高性能的執行機構 |
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磨損度 |
具有很強的耐磨性，采用球面和閥座噴涂 WC，涂層厚度為 0. 2 ～ 0. 4mm，硬度為 65 ～ 70HRC |
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密封性 |
球體和閥座都進行表面硬化處理，密封結構采用彈簧加力閥座，使閥座向球體移動，高精度加工技術確保密封等級 |
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腐蝕性 |
滿足 ANSI /FCI 70 － 2 的 ClassⅤ級 /API 598 密封試驗標準 |
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酸性 |
閥體材料采用奧氏體不銹鋼、雙相不銹鋼、英康乃爾合金，具有很強的耐腐蝕性 |
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其他 |
材料符合 NACE MR-0103 及 NACE MR-0175 要求。與介質接觸的零部件禁用銅材。儀表及附件防護等級達到 IP65 ～ |
68，防爆等級達到 ExdⅡCT4
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3. 2 |
閥門材料 |
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Inconel625 ( Hastelloy C － 276) 。Class2 500 |
的高溫 |
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Class600～ 1 |
500 的常溫 ( － 29 ～ 200℃ ) 耐磨 |
( 300 ～ 510℃ ) |
耐磨球閥閥體材料為 A182 |
F22 或 |
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球閥，閥體材料為 ASTM A105 碳鋼鍛制球閥，其 |
A182 F347 不銹鋼鍛鋼，球體選用 Inconel718。閥 |
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球體選用 ASTM A182 F304。對于有強腐蝕工況 |
桿采用沉淀硬化不銹鋼 17 － 4PH |
( 表 2) 或 A638 |
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時，閥體材料可采用奧氏體不銹鋼、雙相不銹鋼、 |
－ 660。 |
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表 2 |
17 － 4PH 沉淀硬化不銹鋼和不銹鋼常溫力學性能比較 |
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鋼種 |
屈服強度 /MPa |
抗拉強度 /MPa |
延伸率 /% |
斷面收縮率 /% |
硬度 /HRC |
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17 － 4PH |
≥1 207 |
≥1 310 |
≥14 |
≥54 |
≥42 |
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F304 |
≥205 |
≥515 |
≥40 |
≥60 |
≤187 |
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CF8 |
≥205 |
≥485 |
≥35 |
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F316 |
≥205 |
≥515 |
≥40 |
≥60 |
≤187 |
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CF8M |
≥205 |
≥485 |
≥30 |
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3. 3 |
工藝技術 |
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或閥座堆焊 STL12# ( D812) 硬質合金，大規模生 |
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金屬密封耐磨球閥結構適用于輸送黑水、渣水 |
產時，應采用數控研磨中心對球體和閥座實行高精 |
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及水煤漿等含固體顆粒的介質，閥門的球體和閥座 |
度的研磨。閥桿有防止固體顆粒進入填料函的金屬 |
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用超音速噴涂 ( HVOF) JK117 { ( WC ) /17Co } |
和填料雙密封結構。閥座彈簧具有防止灰渣堵塞結 |
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ClassⅤ級。
4 球閥性能分析
4. 1 浮動球 ( MOGAS 產品)
美國 MOGAS 雙金屬閥座浮動球球閥，為介質出口端金屬密封，閥桿帶軸肩防飛出結構，閥座設計為刮刀式。閥門具有自泄壓功能，符合抗靜電及防火要求，依據 NACE MR － 0103 進行防腐處理，并按需要配置閥門齒輪箱 ( 圖2) 。
64HRC 以上，厚度不小于 0. 3mm。球體與閥座手工配對研磨，密封檢驗完全滿足 API 598 標準要求。閥座鋒利的邊緣可對球體自刮擦自清潔，防止介質
進入球體與閥座的密封面而造成內漏和卡塞現象。
( 7) 碟簧 選用碟形結構彈簧，材料為 In-conel718。碟簧的主要作用是為閥座和球體施加一個預緊力，保證球體與閥座緊密結合。當球體、閥
座受到熱脹發生位移時可有效回縮，防止球體與閥座發生卡塞現象。碟簧后閥座腔倒角處理 ( 角度經流體動力學計算) ，使固體顆粒不易堆積在閥座后面而影響閥座的有效退讓 ( 圖 3) 。
1. 閥桿 2. 閥桿導向環 3. 閥桿密封軸承 4. 填料防護環
5. 復合填料 6. 執行器固裝支架 7. 填料壓蓋
8. 閥桿上的 “T”標志 9. 刻線
圖 2 MOGAS 耐磨球閥閥桿填料結構
( 1) 通徑 采用 ANSI B16. 34 標準規定。
( 2) 壓力等級 閥門的壓力等級符合訂貨規格及工藝管路等級要求，閥體壓力等級不低于法蘭等級。
( 3) 連接形式 球閥過程連接為法蘭連接或對焊連接，法蘭標準依據 ANSI B16. 5，采用 RF
法蘭連接。對焊連接端部標準依據 ANSI B16. 25。
( 4) 結構長度 采用 ANSI B16. 10 標準確定
閥的結構長度。
( 5) 閥體、閥蓋 均選用鍛件 ASTM A105、 ASTM A82 F22、A182 F347，對于需要防硫化氫的閥門按照 NACE 要求進行熱處理。
( 6) 球體、閥座 球體為不銹鋼 410SS，表面高速氧火焰噴涂碳化鉻合金 ( 涂層耐溫 815℃ ) ，硬度 64HRC 以上，厚度不小于 0. 3mm。閥座為
Inconel 718 合金，同樣采用噴涂碳化鉻合金硬化處理。表面高速氧火焰噴涂碳化鉻合金再熔融處理 ( 耐溫 815℃ ) ，涂層耐磨不易脫落。球面硬度
1. 球體 2. 閥座 3. 彈簧
圖 3 耐磨球球體與閥座結構
( 8) 閥桿 閥桿材料選用 17 － 4PH 或 A638 － 660。閥桿設計為雙密封并有軸肩防飛出結構，帶彈簧預緊的填料壓蓋結構。閥桿設置有金屬密封軸承和填料雙重密封
圖 4 MOGAS 耐磨球閥填料及填料壓蓋結構
( 9 ) 填料 由 3 個模壓成型組合純石墨環 ( Chesterton 5300) 和 2 個有 Inconel 合金絲編織成的石墨抗擠壓環 ( Chesterton 1601) 組成，能承受
970℃ 的高溫。填料壓蓋帶有預載碟簧，填料壓蓋可持續壓緊填料不致發生外漏現象。
( 10) 泄漏等級 切斷閥的閥瓣和閥座采用金屬密封的雙向密封形式。金屬密封軸承表面硬化處理后手工配對研磨，為壓力密封設計，壓力越大，密封越緊，可防止固體顆粒進入填料函。泄漏等級
符合 API 598 標準要求。
4. 2 固定球 ( HARTMANN 產品)
德國 HARTMANN 高壓固定球球球閥為金屬雙向密封，全通徑，雙流向，3 片分體式結構。密
煤制油工藝過程中同時存在氣 － 液 － 固三相混合物介質，對閥門提出高溫、高壓、耐磨、耐腐蝕、耐沖刷、抗熱循壞和零泄漏等要求。作為全通徑、大流量、低流阻、開關方便等優點的金屬密封耐磨球閥將獲得快速發展，將逐步從低壓、常溫到高壓、高溫，促進了球閥應用范圍的擴大和發展。浮動球與固定球耐磨球閥各有特點，各種選型原則只是在一般情況下的應用原則。隨著閥門生產技術的發展，浮動球球閥將可用于高壓力工況，固定球球閥也可以用于含固體顆粒介質工況。高溫高壓金
屬密封耐磨球閥在煤化工產業的煤制油、煤制烯烴及大型煤化成套系統中的推廣應用，可替代進口的同類產品，提升我國高溫高壓耐磨球閥的技術水平，有效降低企業的設備采購成本。
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