煤化工用金属密封球阀的选型及应用
1、概述
煤化工是将煤通过热加工和催化加工转化为各种燃料和化工产品的过程。煤化工及煤制油项目首先要进行煤气化，在高温下将煤、焦炭等固体燃料与气化剂反应，转化为气体产物和残渣。煤气化所用的气化剂主要为蒸汽、高压高纯度氧气及其混合气体，气化反应包括了一系列均相与非均相化学反应。所得气体产物因所用原料煤质、气化剂的种类和气化过程不同而具有不同的组成，可分为煤气、半水煤气及水煤气等。在煤化工产业的煤制油、煤制烯烃及大型煤化成套系统中，金属密封耐磨球阀作为一种耐磨损的管路系统截断及流量控制的部件得到了极为广泛的应用。
2、煤制油工艺过程
煤制油工艺是以煤炭为原料，通过化学加工方法将固态的煤转化合成为液态的石油燃料产品，其工艺可分为直接液化和间接液化。
2.1、直接液化
直接液化是先将煤炭磨成煤粉与溶剂配制成油煤浆，然后在高温、高压下将煤中复杂的有机高分子结构直接转换为较低分子液体燃料。在精制后制得优质的油品，其工艺过程见图1。直接液化油回收率高，可达63%～68%，煤消耗量小，生产1t液化油，需消耗洗精煤约2.4t。馏分油以汽、柴油为主，目标产品的选择性相对较高。油煤浆进料，设备体积小，投资和运行费用低。
图1 供氢溶剂直接液化煤制油(埃克森法)流程
直接液化的反应条件相对较苛刻。液化压力、温度要求过高，液化压力为17.0～30.0MPa，温度为430～470℃。出液化反应器的产物组成较复杂，液、固两相混合物由于粘度较高，分离相对困难。氢耗量大，一般在6%～10%。
2.2、间接液化
间接液化是将煤炭在高温下气化，转化为合成气(CO和H2)，再经过费-托合成可制得优质燃料(汽油、柴油和航空燃料)和化工原料。合成条件较温和，反应压力2.0～3.0MPa，反应温度低于350℃。转化率高，如SASOL公司SAS工艺采用熔铁催化剂，合成气的一次通过转化率达到60%。
由于煤基间接液化反应物均为气相，所以其工艺设备体积庞大，投资和运行费用高。间接液化全部需要依赖于煤的气化，其煤耗量大且合成副产物较多，目标产品的选择性相对较低。
3、阀门特性要求
3.1、工况条件
煤制油、油改煤及煤气化等煤化工系统处于介质(煤渣)高硬度、高压力及高温度的工况，阀门应具有耐磨、耐冲刷、防结垢、防结疤及快速切断等功能。阀门口径大(一般为DN300～DN450)、启闭频繁且速度快(30min动作一次，5～10s/次)，要求阀门密封性能好，可靠性高。目前，特级耐磨球阀已广泛用于德士古炉煤化工和煤制油行业，其介质水煤浆中包含58%～67%的煤粉固体。黑水系统及灰浆系统中含有大量渣浆等特硬固体颗粒，在阀门腔体内沉积、堵塞或结垢，难于清除(表1)。
表1 煤化工用阀门特殊要求
3.2、阀门材料
Class600～1500的常温(-29～200℃)耐磨球阀，阀体材料为ASTMA105碳钢锻制球阀，其球体选用ASTMA182F304。对于有强腐蚀工况时，阀体材料可采用奥氏体不锈钢、双相不锈钢、Inconel625(HastelloyC-276)。Class2500的高温(300～510℃)耐磨球阀阀体材料为A182F22或A182F347不锈钢锻钢，球体选用Inconel718。阀杆采用沉淀硬化不锈钢17-4PH(表2)或A638-660。
表2 17-4PH沉淀硬化不锈钢和不锈钢常温力学性能比较
3.3、工艺技术
金属密封耐磨球阀结构适用于输送黑水、渣水及水煤浆等含固体颗粒的介质，阀门的球体和阀座用超音速喷涂(HVOF)JK117{(WC)/17Co}或阀座堆焊STL12#(D812)硬质合金，大规模生产时，应采用数控研磨中心对球体和阀座实行高精度的研磨。阀杆有防止固体颗粒进入填料函的金属和填料双密封结构。阀座弹簧具有防止灰渣堵塞结构。球阀在其一侧为最大工作压力，另一侧为大气压的最大压差工况下，完成启闭并保证可靠密封，水压试验的泄漏等级应达到ANSI/FCI70-2的ClassⅤ级。
4、球阀性能分析
4.1、浮动球(MOGAS产品)
美国MOGAS双金属阀座浮动球球阀，为介质出口端金属密封，阀杆带轴肩防飞出结构，阀座设计为刮刀式。阀门具有自泄压功能，符合抗静电及防火要求，依据NACEMR-0103进行防腐处理，并按需要配置阀门齿轮箱(图2)。
1.阀杆2.阀杆导向环3.阀杆密封轴承4.填料防护环5.复合填料6.执行器固装支架7.填料压盖8.阀杆上的“T”标志9.刻线
图2 MOGAS耐磨球阀阀杆填料结构
(1)通径
采用ANSIB16.34标准规定。
(2)压力等级
阀门的压力等级符合订货规格及工艺管路等级要求，阀体压力等级不低于法兰等级。
(3)连接形式
球阀过程连接为法兰连接或对焊连接，法兰标准依据ANSIB16.5，采用RF法兰连接。对焊连接端部标准依据ANSIB16.25。
(4)结构长度
采用ANSIB16.10标准确定阀的结构长度。
(5)阀体、阀盖
均选用锻件ASTMA105、ASTMA82F22、A182F347，对于需要防硫化氢的阀门按照NACE要求进行热处理。
(6)球体、阀座
球体为不锈钢410SS，表面高速氧火焰喷涂碳化铬合金(涂层耐温815℃)，硬度64HRC以上，厚度不小于0.3mm。阀座为Inconel718合金，同样采用喷涂碳化铬合金硬化处理。表面高速氧火焰喷涂碳化铬合金再熔融处理(耐温815℃)，涂层耐磨不易脱落。球面硬度64HRC以上，厚度不小于0.3mm。球体与阀座手工配对研磨，密封检验完全满足API598标准要求。阀座锋利的边缘可对球体自刮擦自清洁，防止介质进入球体与阀座的密封面而造成内漏和卡塞现象。
(7)碟簧
选用碟形结构弹簧，材料为In-conel718。碟簧的主要作用是为阀座和球体施加一个预紧力，保证球体与阀座紧密结合。当球体、阀座受到热胀发生位移时可有效回缩，防止球体与阀座发生卡塞现象。碟簧后阀座腔倒角处理(角度经流体动力学计算)，使固体颗粒不易堆积在阀座后面而影响阀座的有效退让(图3)。
1.球体 2.阀座 3.弹簧
图3 耐磨球球体与阀座结构
(8)阀杆
阀杆材料选用17-4PH或A638-660。阀杆设计为双密封并有轴肩防飞出结构，带弹簧预紧的填料压盖结构。阀杆设置有金属密封轴承和填料双重密封(图4)。
图4 MOGAS耐磨球阀填料及填料压盖结构
(9)填料
由3个模压成型组合纯石墨环(Chesterton5300)和2个有Inconel合金丝编织成的石墨抗挤压环(Chesterton1601)组成，能承受970℃的高温。填料压盖带有预载碟簧，填料压盖可持续压紧填料不致发生外漏现象。
(10)泄漏等级
切断阀的阀瓣和阀座采用金属密封的双向密封形式。金属密封轴承表面硬化处理后手工配对研磨，为压力密封设计，压力越大，密封越紧，可防止固体颗粒进入填料函。泄漏等级符合API598标准要求。
4.2、固定球(HARTMANN产品)
德国HARTMANN高压固定球球球阀为金属双向密封，全通径，双流向，3片分体式结构。密封等级为双向ANSIClassⅥ级，阀体及承压部件都采用锻件。阀门依据标准API6D，防火标准API607，同时符合TA-LUFT及USAEPA等标准。阀门为防吹出阀杆设计，防静电设计。阀体材质为DIN1.4470(相当于2205系列双相不锈钢ASTMA8904A)，球体材料为DIN1.4462(相当于2205系列双相不锈钢ASTMA182F51)。球体与阀座表面均喷涂有碳化钨或碳化铬，其硬度值达到62～68HRC。对焊端连接的阀门其对焊端坡口符合ASMEB16.25的规定。
(1)镀层采用火焰喷涂与热处理技术，在喷涂结束后，再对球体与阀座进行二次处理，即高温加热处理，使得金属材质与镀层材质之间融合，减少不同材质之间的隔阂，然后采用手工研磨的技术，使得球体与阀座的光洁度均衡，保证球体与阀座的表面紧密吻合。镀层有效厚度为0.2～0.5mm。
(2)阀座后面设有弹簧组件，弹簧材质为In-conelX750，且阀座前后垫片的密封使得弹簧内腔为封闭式设计，介质中的颗粒无法进入到弹簧内腔中。另外弹簧式的阀座设计，使阀座与球体之间紧密接触，无缝隙，因此避免了颗粒介质进入阀座与球体之间，从而避免了阀座与球体表面的刮伤。阀座的独特设计使得阀座与球体接触部分实际上如刮削的作用，因此在实际操作中，对阀座与球体的接触部分可以进行刀刮的处理。
(3)阀门为全通径，上、下游阀座对称式设计，即阀门为双向对称式密封结构，阀门无指定流向。因此在现场安装时，不存在流向问题。
(4)阀门的密封等级满足ANSIClassⅥ的标准，完全符合技术要求。
(5)所有球阀都有上游、下游两个阀座，阀座与阀体采用分离形式，便于阀座的更换维修。阀座密封面与球体密封面100%接触。
(6)阀杆处采用双密封的形式，绝对无外漏。在最大压差下，阀杆的最小横截面能承受操作扭矩。设计还考虑了足够的安全裕量和执行机构的最大输出扭矩。阀杆的最薄弱部分位于阀体之外。
(7)阀内腔可自动卸放压力。防火设计，防静电设计与防吹出阀杆设计。
(8)阀门额定的压力-温度等级满足ASMEB16.34的规定。
(9)阀体和球体等所有接液部件满足NACEMR-0103和NACEMR-0175的要求。阀体腐蚀裕量不小于6mm。
(10)阀门与执行机构之间的坚固支架是阀门长期动作性能可靠的保证。
4.3、选型
浮动球球阀与固定球球阀的选型原则见表3。
表3 球阀浮动球与固定球选型原则
5、结语
煤制油工艺过程中同时存在气-液-固三相混合物介质，对阀门提出高温、高压、耐磨、耐腐蚀、耐冲刷、抗热循坏和零泄漏等要求。作为全通径、大流量、低流阻、开关方便等优点的金属密封耐磨球阀将获得快速发展，将逐步从低压、常温到高压、高温，促进了球阀应用范围的扩大和发展。浮动球与固定球耐磨球阀各有特点，各种选型原则只是在一般情况下的应用原则。随着阀门生产技术的发展，浮动球球阀将可用于高压力工况，固定球球阀也可以用于含固体颗粒介质工况。高温高压金属密封耐磨球阀在煤化工产业的煤制油、煤制烯烃及大型煤化成套系统中的推广应用，可替代进口的同类产品，提升我国高温高压耐磨球阀的技术水平，有效降低企业的设备采购成本。
