煤化工装置黑水角阀失效分析摘要：黑水角阀是现代煤化工装置中工况较为恶劣的关键阀门之一。针对黑水角阀使用过程中常见失效形式，分析了阀门失效机理，并从材料、流道结构及工艺流程等3个方面归纳总结了黑水角阀的改进技术现状。经过分析与总结，讨论了目前研究与改进的不足之处：缺乏对介质中固体颗粒特性影响规律的试验研究、未综合考虑经济成本因素等，并指出了未来的研究与改进方向。 关键词：煤化工；黑水角阀；失效分析；含固多相流；磨蚀 我国的能源结构决定了在未来相当长的一段时间内，能源仍是以煤炭为主。而煤炭资源的清洁高效利用则是需要更加深化推进的发展方向。煤气化技术作为现代新型煤化工工艺的核心技术1，是煤炭清洁利用技术的首选。煤气化工艺主要有水煤浆气化工艺和干煤粉气化工艺两大类。水煤浆气化工艺和干煤粉气化工艺除了气化原料部分不同，后续工艺基本类似，均设置有黑水处理系统2-3。黑水处理系统主要是处理气化炉以及合成气初步净化过程中产生的含固黑水，回收黑水中的部分热能，同时分离出固态颗粒和溶解于水中的气体，实现灰水的部分循环利用。煤化工工艺中涉及到大量的含固多相流介质的流动控制，而黑水角阀主要是将来自于气化炉及洗涤塔的含固黑水，减压调节后送入闪蒸罐内，以便于回收热量和灰水再循环利用。黑水角阀的使用工况非常苛刻，需面向高温、高压差、腐蚀、含固多相流等介质环境，是煤气化装置中不可或缺的关键设备。针对黑水角阀的故障失效问题，分析其在苛刻工况条件下的失效行为与机理、研究并改进材料与结构，提高其有效使用寿命，是业内技术人员关注并研究的重点。 1失效形式及机理 为保证含固多相流介质流动顺畅无阻塞，黑水角阀普遍采用了角式自洁阀腔设计，其典型结构如图1所示。1.1主要失效形式。煤化工装置中，无论是干煤粉气化工艺还是水煤浆气化工艺，黑水角阀的失效形式普遍表现为：（1）阀芯冲损严重；（2）阀座冲损严重；（3）下游法兰冲损严重；（4）阀杆冲蚀严重；（5）阀芯掉落；（6）阀杆卡涩；（7）气动执行器串气等。其中阀芯、阀座冲蚀严重是最为主要的失效问题，其次是阀后下游法兰冲损问题，其余失效问题发生的概率较小，且已通过技术改造予以彻底解决。1.2失效机理分析。通过对煤气化装置黑水闪蒸系统的应用工况分析，黑水角阀失效风险因素主要体现在腐蚀破坏、高速冲蚀、汽蚀破坏等方面。其中针对腐蚀破坏，由于工艺设计之初就已考虑到介质的腐蚀性，在阀门设计选材时，就已要求阀门的材质选择应考虑对抗介质的腐蚀特性，如选用耐蚀不锈钢或工程陶瓷等材料或涂层来避免该类失效。而关于黑水角阀是否存在汽蚀破坏，尚存争议。曹辉等4、杨国来等5通过CFD仿真研究，判断黑水角阀内部发生了汽蚀破坏，并初步推测了大体发生的位置；而颜震等6、陈志飞等7根据数值模拟分析，认为黑水角阀内部仅发生闪蒸现象，并不会发生汽蚀破坏的情况。大多数研究表明6-9，黑水角阀的主要失效机理是介质节流及闪蒸过程中固体颗粒的高速冲蚀磨损引起的阀芯、阀座等关键部件损坏失效，并给出了相应的损坏最为严重的位置，且模拟结果与实际的失效部位能够相互印证。 2黑水角阀改进研究 针对黑水角阀的高速冲蚀磨损问题，可以通过以下3个方面来进行技术改进研究。2.1角阀内件耐磨材料改进研究。根据前述的失效机理分析，选用更加耐磨耐冲蚀材料无疑是对抗高速冲蚀失效最为直接的手段。黑水角阀由于介质还有固体颗粒且具有腐蚀性，所以阀体一般选用超级双相不锈钢材质，其内流道可选做硬化处理。内件材质则大体可分为两类，即基材加硬化层处理和实体硬质材料。前者一般是普通不锈钢做基材，应用各种涂层工艺在表面增加硬化层来提升耐磨性。如杨国来等5提出可以在黑水角阀的阀芯、阀座的节流口处堆焊或喷焊司太立合金，以此来提高节流口处的耐磨性能；王新昶等10在阀芯、阀座的受冲蚀表面，采用热丝CVD法，沉积获得高质量的CVD金刚石涂层，来对抗高速冲蚀失效；王志坚等11则针对阀芯采用TiN涂层工艺，而阀座和孔板使用PDC复合片作为耐磨材料，来获得较好的耐磨耐冲蚀性能；别恺念等12、干瑞彬等13在阀芯表面喷涂Ni-WC，以增强其表面抗磨损及腐蚀性能。经涂层工艺处理的材质可以在黑水角阀的使用前期达到较好的耐磨效果，可一旦耐磨层被磨蚀掉之后，由于基材耐磨性差，内件在极短的时间内就会被磨蚀掉，进而致使黑水角阀的性能劣化加速最终失效。后者则主要是采用硬质合金或陶瓷材料直接制作阀芯阀座等。目前普遍使用的内件材质都是实体碳化钨。实体碳化钨材质属于硬质合金材质，特别是整体烧结的碳化钨，其材料的致密度高，硬度可以高达HRA90，耐磨性能优越。但是碳化钨材质存在硬度高难加工，价格昂贵等问题。2.2内流道结构改进研究。在选择高性能耐磨耐冲蚀材料之外，还可以通过对黑水角阀的内流道结构改进，改善介质流动状态，改变固体颗粒的冲击角度，降低介质流速等，进而延缓阀芯、阀座等关键部件的冲蚀磨损。2.2.1阀体流道结构改进。从结构角度上来讲，黑水角阀的流道结构越呈流线型，则其越能避免流动磨蚀的影响。针对黑水角阀阀体流道结构改进的公开研究偏少，仅王永洲等14通过对研究不同阀体曲率半径对阀内总压分布、流体流向等参数的影响，选择得到合适的曲率半径R=150mm，可以有效地避免由于边界层分离产生的涡流，降低压差阻力，增加了阀门的使用寿命。而曹辉等4也提出相类似的设计建议，要求按角式流线型设计阀体内部流道，过渡处尽可能采用大圆弧设计，以避免介质冲击或扰动。国外某厂采用长弯颈阀体结构（见图2），以获得较好的阀内流动状态，避免介质中的固体颗粒对阀内件直接冲击，延长其使用寿命。（a）结构1（b）结构2图2黑水角阀的2种阀体结构示意2.2.2内件结构改进。针对阀芯、阀座等内件结构，国内现有改进研究主要体现在3个方向：（1）增加节流级数减缓流速；（2）增加可磨蚀材料量；（3）改变过流面积形状。增加阀内件的节流级数是应对高压差介质调节的常用手段，可通过分级减压来达到减缓流速的目的。如何庆伟8通过对2种两级减压结构的模拟分析，得出可采用如图3（a）所示的两级减压结构，可大幅降低了介质的流动速度，增强抵抗介质流动冲刷、冲蚀能力，延长阀门的使用寿命。干瑞彬13也是采用两级减压方案，对2种阀芯、阀座的两级节流进行了结构设计及数值模拟，通过分析对比提出应采用如图3（b）所示的结构。王新昶等15在阀门中增加了压套结构设计，且在角阀的下游出口处增加设置一孔板，通过分级降压的作用，改善角阀内的压力分布状态和流场状态，缓解流体对于阀芯阀座等关键部件的冲蚀磨损，延长阀门的使用寿命。鉴于冲刷磨蚀情况不可避免，别恺念等12、郑智剑等16采用了控制磨蚀区域并增加可磨蚀材料量的技术方案，其结构如图3（c）所示，其阀芯头部结构为纺锤体形状，阀座下游流道变为扩散管结构，将冲蚀严重区域控制在阀芯的下半部分，并采用增加阀芯可冲蚀材料量。且经现场应用证明，改造后阀芯的使用寿命延长近1倍，缓冲罐底部壁面的冲蚀磨损速率也显著降低。除上述两类改进方案外，王新昶等15还通过研究提出采用一种斜劈式阀芯设计，其结构如图3（d）所示，并认为该设计可提高阀芯的稳定性，避免流致振动的影响。但需要指出的是，其斜劈式设计是与增加压套、下游孔板等结构结合一起进行分析研究的，所以还需单独界定一下斜劈式阀芯结构的效用。前述研究主要是针对阀芯阀座等内件结构进行的，而为了应对下游法兰冲损严重问题，普遍采用将阀座下游设置为整体喇叭口的扩散管段2，6，16-17，且提出宜选取5的扩散管角度，可以较大程度地避免下游高速冲蚀破坏。2.3工艺流程的改进。实际上材料、设备等都是依据工艺工况来进行选型设计制造，并最终服务于工艺，所以不妨考虑从工艺角度出发，来控制和改善黑水角阀的使用工况。2.3.1控制工艺操作及管理。针对工艺操作条件及维护管理方面2，主要应从以下几点内容入手：（1）在气化原料环节，应选择低灰分原料煤。当煤的灰分含量高，会相应造成黑水中灰渣颗粒含量增加，加剧了对黑水角阀内件的冲刷磨蚀。（2）维持气化系统稳定运行，杜绝工艺调整大幅波动，减少气化炉开停车次数。气化炉开停车容易对黑水管线形成强烈振荡和冲击，并且会引起阀门频繁调节，加剧黑水角阀的劣化失效。（3）在开停车时，应尽可能使黑水角阀维持在较大开度，防止因开度过小造成阀前堵塞及因节流流速过大而磨损加速。2.3.2工艺管线的改造。改善黑水角阀使用工况的另一方案，就是对原工艺管线设置进行改造。郑智剑等16提出对阀门上游的连接管路进行改造，在两只高压黑水角阀中间增加三通阀，使黑水介质只通过其中一路高压黑水角阀，并可实现两路阀门的在线切换。改造后，通过高压黑水角阀的介质流量增加近1倍，阀门开度范围增加至20%30%，可较大程度地避免黑水角阀一直在小开度条件下工作。李伟正18提出采用2个减压阀串联安装进行分级减压，使得2个减压阀减压过程中均可避免或减轻空化现象。通过严格控制工艺操作条件，来减缓黑水角阀的失效，这无疑是非常困难的。工艺操作有诸多不可控因素，但是可以通过规范管理、规范操作、规范运行等多角度来提升工厂管理水平，尽可能避免因工艺操作等因素造成对阀门设备的损坏。而通过改造阀门管线来降低黑水角阀应用工况的苛刻程度，这是从工艺根本上来解决存在的问题，但应考虑改造投资成本，研究改造对工艺的影响，进行综合优势评价。 3结语 黑水角阀是多种煤化工工艺装置中不可或缺的关键设备，广泛应用于黑水闪蒸系统的工艺管线中，其使用中存在问题也是共性问题，针对工程实际问题进行全面而深入的研究，解决煤化工工艺中含固多相流动磨蚀问题，将极大地推动煤化工装置中关键阀门设备的技术进步。针对黑水角阀的失效分析研究，主要集中于阀内流场特性研究，且主要以计算机软件模拟的研究方法为主，得出的结论再与工程实际情况验证，具有一定的理论指导性。但是，尚缺乏针对多相流动磨蚀的固体颗粒煤粉或煤渣特性研究，建议深入研究煤化工工艺中固体颗粒的自身特性及其在流场中的表征特性对黑水角阀流动磨蚀的影响规律，设计并应用试验方法研究其内在的失效行为与机理。针对黑水角阀的改进研究，前述总结的3个方面的改进，已在工程实际中取得了一定的效果。但是，黑水角阀的使用周期仍然偏短，还需要进一步地分析其失效机理，并在此基础之上进行材料、结构以及经济成本等多因素综合改进研究。针对阀体而言，由于超级双相不锈钢属于高端合金钢材，成本高，建议研究使用以廉价的碳钢材质为基材，流道内壁采用喷涂或喷焊或其它工艺进行防腐硬化处理，降低成本。针对阀内流动结构，建议应以阀体流道结构为基础，分析不同阀体流道结构的影响规律，并从改变介质中固体颗粒冲击角度、增加介质对冲消耗等方面进行深入研究，探索并研发一些新型内件结构。 5