硅化工用球阀损坏分析及盘阀的应用

1、概述

　　有机硅单体合成硅粉用阀的磨损是有机硅生产企业的一大难题，尤其是在旋风下料、回料及放空位置，进口耐磨球阀寿命一般少于6个月，国产耐磨球阀寿命少于1个半月，影响了系统的稳定运行和企业的经济效益。本文介绍一种新型特殊耐磨阀——盘阀。盘阀在同样工况的使用寿命可以达到2~3a，是有机硅单体合成和硅化工耐磨阀的首选。

2、分析

2.1、工况条件

　　应用于旋风下料和回料工况的球阀(图1)，压力0.7MPa，温度280°C，输送介质硅粉、甲基氯硅烷和其他高沸物，开关频率4次/h，颗粒尺寸200目，介质硬度62HRC。此工况存在交变压差，要求阀门双向密封，一般采用硬密封球阀实现快速开关。为了抵抗硅粉的磨损，球体和阀座选择WC或Cr3C2进行表面处理，处理后的表面硬度一般≥67HRC。

图1 球阀

　　2.2、损伤

　　一台应用于合成硅粉旋风下料位置5个月的球阀拆卸后检查，其球体(球体材料为410SS，硬质合金为WC)的硬质合金层受到腐蚀并剥落(图2)。分析其原因，硅粉和甲基氯硅烷不具有对硬质合金的腐蚀性，但是甲基氯硅烷遇到水，会分解出氯化氢，产生氯离子，对球体和阀座的基体产生腐蚀。有机硅单体合成是间歇性生产，为了保证生产的长周期和高效性，每次停车对系统和管道进行吹扫和清洗。另外，停车期间，空气中的水会进入系统，系统中残留的氯硅烷与水接触产生氯离子。由于氯离子对WC合金和410SS及奥氏体不锈钢304和316等具有很强的腐蚀性，所以很难有高性能和价格适中的材料可以选择。

图2 球体的硬质合金层剥落

　　Cr3C2可以抵抗氯离子的腐蚀，所以有的进口球阀选用Cr3C2处理球体和阀座。但是，Cr3C2在干燥系统的抗粘结能力很弱。对于有机硅单体合成工况，阀门要求频繁开关，球体和阀座无法承受频繁开关导致硬质合金之间的微焊接现象，造成阀门开关卡塞，并拉伤硬质合金层(图3)。

图3 球体和阀座拉伤

　　球体和阀座表面的WC和Cr3C2硬质合金层均采用超音速喷涂技术处理。由于硬质合金与球体和阀座基体材料之间的粘结力较低及腐蚀和频繁开关导致的交变应力等原因，造成了硬质合金层的剥落。

　　合成硅粉旋风下料和回料时，阀门开启压差0.3~0.4MPa。合成硅粉放空时，阀门开启压差为0.6~0.7MPa。硅粉在高速气流的带动下，迅速释放，并冲刷球体和阀体，由于球体的硬质合金层已经剥落，其基体硬度只有21HRC，从发现泄漏到出现大的缺陷往往只需1~2d时间。

　　2.3、其他原因

　　引起球阀损坏的其他原因还存在高温、阀体腐蚀及流通通道穿孔等。另外阀门在开关的过程中，介质必然会进入阀的中腔，随着中腔物料的积累，阀门的开关扭矩变大，尤其是超细硅粉的堆积，最终导致阀门的损坏。

3、盘阀

　　经过分析，对于有机硅单体合成的旋风下料、回料及放空的切断阀选择球阀是很难解决其寿命的问题。盘阀(图4)在硅粉输送管线的使用上具有明显的特性。

图4 盘阀

　　(1)驱动装置通过阀杆与摇臂使阀盘(阀瓣)转动一定的角度实现阀门的开关。阀盘密封面借助弹簧与阀座紧密贴合，弹簧压力始终使阀盘紧密贴合在阀座上，又允许阀盘在密封面的垂直方向上有位移。这有助于补偿阀门零件由热胀冷缩而引起的变形和多次开关后产生的微量磨损，克服任何背压变化对密封的影响并能防止颗粒介质进入密封面之间。在盘阀启闭过程中，阀座密封面对阀盘在切线方向上的摩擦力之差，使阀盘在一个启闭循环过程中产生自转并可以不断剪切与清扫在工艺过程中有可能堆积在阀腔内的介质。

　　(2)整体烧结式阀盘、阀座硬度高，有良好的耐冲刷性和耐腐蚀性。具有自旋转结构的阀盘不但可达到与阀座的自研磨作用，增强密封面的自清洁性能，并且在开关过程中可剪切物料，保留了较为可靠的刮削设计。可在使用中持续达到ANSIB16.104Ⅵ级密封要求。

　　(3)阀盘密封面为碟簧正压力补充，保证阀门在设计允许的压力内提供足够的密封预紧力，防止物料进入密封面造成表面损伤，影响密封性能。

　　(4)阀杆采用防喷设计，保证了阀门在高压场合使用的可靠性。阀杆与轴套用柔性石墨润滑，解决了高压阀门开关时存在的启闭扭矩过大的问题，阀门在操作使用过程中的安全性也得到了保障。

　　(5)填料处的弹簧补偿设计能保证在温度及压力波动的情况下，给予填料必须的补偿力保证密封。其次，也能满足长期对外漏的密封性能要求。

　　(6)阀门内件根据工艺要求的不同，可设计为表面特殊处理。例如选用硬度高，耐冲刷性能好的材料或采用内件表面硬化处理的方式提高耐磨性。

　　(7)阀门选择较大输出力的执行机构，保证在阀门内部出现少量堆积时不影响阀门正常动作到位。

　　经多个工位及项目使用证明，国产盘阀可达到现阶段硅粉下料装置的工艺要求，满足使用工况。但国产盘阀也存在一定的缺点。①由于执行机构较大，阀门的操作元件及相应的传动部件尺寸增加。因此，整机的自重和外型尺寸略大于同工位使用的进口阀门。②为保证阀门在使用过程中能够达到密封面刮削和剪切物料的作用，阀盘采用回复力较大的碟簧。因此，开关时所需力矩大于进口阀门。

4、结语

　　进口球阀与盘阀价格贵，制造周期长，零配件供应与售后服务不及时，维修不方便，发生任何微小故障都会造成设备停车，给生产单位造成巨大浪费。国产盘阀是针对硅粉下料工位特殊设计，尤其针对使用中出现的问题选用了新的结构和材料，因此在使用周期上也优于进口阀门。随着硅化工工业的发展，盘阀将被越来越多的用户使用。

参考文献

　　[1] 杨源泉.阀门设计手册1M2.北京：机械工业出版社，1992.

　　[2] 陆培文.实用阀门设计手册1M2.北京：机械工业出版社，2002.

　　[3] BS5351-1986，石油工业用钢制球阀1S2.

　　[4] 机械设计师手册编写组.机械设计师手册1M2.北京：机械工业出版社，1989.

　　[5] 何奖爱.材料磨损与耐磨材料1M2.沈阳：东北大学出版社，2001.

　　[6] (美)J.L.莱昂斯.阀门技术手册1M2.北京：机械工业出版社，1991.