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耐磨閥在煤化工應(yīng)用
上海申弘閥門有限公司
之前介紹三臺(tái)氣體減壓閥串聯(lián)減壓，現(xiàn)在介紹耐磨閥在煤化工應(yīng)用介紹了現(xiàn)代煤化工中的2 種工藝———直接液化與間接液化的異同點(diǎn)。通過(guò)對(duì)現(xiàn)代煤化工中的煤液化工藝的分析，提出了在該類裝置上使用的閥門的選擇要求，還從材料、工藝、抗腐蝕、結(jié)構(gòu)及耐磨特性等方面進(jìn)行了分析，以期能夠?yàn)槊夯て髽I(yè)及閥門制造企業(yè)提供參考。耐磨材料是新材料領(lǐng)域的核心，約占新材料研究領(lǐng)域中85%，特種耐磨材料對(duì)高新技術(shù)的發(fā)展起著重要的推動(dòng)和支撐作用，是二十一世紀(jì)世界各國(guó)新材料領(lǐng)域研究發(fā)展的重點(diǎn)，也是世界各國(guó)高技術(shù)發(fā)展中戰(zhàn)略競(jìng)爭(zhēng)的熱點(diǎn)，跟隨我們的腳步關(guān)注耐磨材料發(fā)展動(dòng)態(tài)。
耐磨閥在煤化工應(yīng)用產(chǎn)品工藝特點(diǎn)：
1、化學(xué)成份匹配： 合理的化學(xué)成份是寧國(guó)南方公司全體科研人員通過(guò)多年的摸索逐步優(yōu)化形成的控制曲線，具有*化學(xué)成份匹配方法，使它能更好的服務(wù)韌性和硬度相結(jié)合，達(dá)到*狀態(tài)。
2、熔煉工藝特點(diǎn)： 采用電熔煉調(diào)質(zhì)有效解決了材質(zhì)偏析和成份控制問(wèn)題，確保了鋼水的質(zhì)量，充分發(fā)揮了熔化爐的熔化能力和有害氣體的排放能力。
3、溫控工藝特點(diǎn)： 溫控工藝是鉻系鑄球生產(chǎn)中一項(xiàng)非常重要、復(fù)雜的工藝，不同的出爐溫度、澆注溫度、出模溫度及熱處理溫度，非常敏感地反應(yīng)在產(chǎn)品質(zhì)量上，掌握適宜的澆注溫度、出模溫度，使產(chǎn)品從液態(tài)到固態(tài)過(guò)程中達(dá)到良好的境界。
4、成型工藝特點(diǎn)： 在澆注溫度與模具溫度溫差在1500℃時(shí)澆注，可以使產(chǎn)品內(nèi)部組織晶粒細(xì)化而更加致密，使碳化物呈放射狀排列，在研磨工作中，這種碳化物再次嵌入基體，不斷形成硬質(zhì)層，從而使硬度和韌性保持在合理的交會(huì)點(diǎn)上，大大提高了鑄球的韌性和硬度相結(jié)合。
5、熱處理工藝特點(diǎn)： 采用全自動(dòng)油淬火生產(chǎn)線，進(jìn)行淬火、回火處理，使它燒的透、淬的透，均能達(dá)到研磨材料基體不破碎、不失圓、耐磨系數(shù)高等特點(diǎn)。
6、檢測(cè)手段： 有光譜直讀儀、自動(dòng)碳檢測(cè)儀、高空落球試驗(yàn)機(jī)、金相顯微鏡等儀器追蹤檢測(cè)，確保不合格產(chǎn)品不出廠。
1、引言
現(xiàn)代煤化工在我國(guó)尚屬新興產(chǎn)業(yè)，現(xiàn)代煤化工裝置與其他生產(chǎn)化工裝置一樣，離不開(kāi)管道、閥門等設(shè)備，煤液化所使用的閥門與一般石油化工裝置所使用的閥門既有相同之點(diǎn)，又有不同之處。不同之處，zui明顯的就是閥門的抗蝕、耐磨損能力。耐磨閥門在許多領(lǐng)域都有應(yīng)用，如硅化工中的多晶硅裝置，電力系統(tǒng)的發(fā)電站等都使用耐磨閥門。但在現(xiàn)代煤化工中，所使用的耐磨閥門，由于其使用工況不同，工藝介質(zhì)不同，危險(xiǎn)程度不同，腐蝕性不同，其技術(shù)要求也不同。
2、現(xiàn)代煤化工工藝
圖1 是現(xiàn)代煤化工中煤液化的流程簡(jiǎn)圖，從圖中可以看出，煤通過(guò)直接液化或者間接液化2種不同的工藝路線，zui后得到需要的汽油、柴油、航煤等，當(dāng)然，也可以繼續(xù)進(jìn)行深加工，得到高附加值的PP、PE 等聚烯烴產(chǎn)品及其它石油化工下游產(chǎn)品。直接液化和間接液化的流程有一定區(qū)別。煤直接液化是在高溫(400℃ 以上) 、高壓(10MPa 以上) ，在催化劑和溶劑作用下使煤的分子進(jìn)行裂解加氫，直接轉(zhuǎn)化成液體燃料，再進(jìn)一步加工精制成汽油、柴油等燃料油，所以又稱加氫液化。
煤制油化工工藝簡(jiǎn)圖
圖1 煤制油化工工藝簡(jiǎn)圖
采用直接液化工藝液化油收率高；煤消耗量??；產(chǎn)品餾份油以汽、柴油為主；油煤漿進(jìn)料，設(shè)備體積小，投資低，運(yùn)行費(fèi)用低。但是反應(yīng)條件相對(duì)較苛刻，如德國(guó)老工藝液化壓力甚至高達(dá)70MPa，現(xiàn)代工藝如IGOR、HTI、NEDOL 等液化壓力也達(dá)到17 ～ 30MPa，液化溫度430 ～ 470℃。同時(shí)，除液化反應(yīng)器的產(chǎn)物組成較復(fù)雜，液、固兩相混合物由于粘度較高，分離相對(duì)困難。氫耗量較大。煤的間接液化技術(shù)是先將煤全部氣化成合成氣，然后以煤基合成氣( 一氧化碳和氫氣) 為原料，在一定溫度和壓力下，將其催化合成為烴類燃料油、化工原料和產(chǎn)品的工藝，包括煤炭氣化制取合成氣、氣體凈化與交換、催化合成烴類產(chǎn)品以及產(chǎn)品分離和改質(zhì)加工等過(guò)程。
采用煤間接液化工藝合成條件較溫和，無(wú)論是固定床、流化床還是漿態(tài)床，反應(yīng)溫度均低于350℃，反應(yīng)壓力2.0～3.0MPa；轉(zhuǎn)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(guò)轉(zhuǎn)化率達(dá)到60% 以上，循環(huán)比為2.0時(shí)，總轉(zhuǎn)化率即達(dá)90% 左右；但是受合成過(guò)程鏈增長(zhǎng)轉(zhuǎn)化機(jī)理的限制，目標(biāo)產(chǎn)品的選擇性相對(duì)較低，合成副產(chǎn)物較多；有效產(chǎn)物-CH2-的理論收率低，工藝廢水的理論產(chǎn)量比較高。煤消耗量比直接液化要大。同時(shí)反應(yīng)物均為氣相，設(shè)備體積龐大，投資高，運(yùn)行費(fèi)用高。煤基間接液化全部依賴于煤的氣化，沒(méi)有大規(guī)模氣化便沒(méi)有煤基間接液化。
無(wú)論是直接液化還是間接液化，工藝介質(zhì)中不僅有煤粉，而且，還含有H2、O2、H2S、CO、NH3、CO2、CL -、HN - 等易燃易爆及腐蝕性介質(zhì)。而直接液化的溫度在400℃以上、壓力在10MPa 以上；間接液化的溫度低于350℃，反應(yīng)壓力2.0 ～3.0MPa；這么多復(fù)雜的成分與工況要求，對(duì)其裝置中使用的閥門從材料到制造加工都會(huì)提出一些特殊要求。
3、現(xiàn)代煤化工對(duì)閥門產(chǎn)品的技術(shù)要求
3.1、材料要求
直接液化也叫加氫液化。在加氫過(guò)程中，其閥門、管道及相關(guān)設(shè)備處于高溫高壓氫氣中，氫損傷就是一個(gè)很大的問(wèn)題。高溫高壓硫化氫與氫共存時(shí)的腐蝕也很嚴(yán)重。正因?yàn)槿绱耍瑸榭垢邷亓蚧瘹涞母g通常閥門材料會(huì)選用奧氏體不銹鋼。這樣又有可能出現(xiàn)不銹鋼的氫脆、奧氏體不銹鋼的硫化物應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂及堆焊層氫致剝離現(xiàn)象等損傷。另外還有Cr-Mo 鋼的回火脆性破壞的問(wèn)題。而且，物流中存在的氨和硫化氫等腐蝕介質(zhì)可能引起的損傷等也是必須加以慎重考慮的。由于煤直接液化反應(yīng)中有油煤漿的存在，煤漿對(duì)閥門、管道等設(shè)備材料的磨損問(wèn)題必須要進(jìn)行考慮。因此要求用于制造閥門的材料要具有符合使用要求的綜合性能。具體來(lái)說(shuō)，應(yīng)該具有：
( 1) 作為描述材料內(nèi)質(zhì)特性的致密性、純潔性和均質(zhì)性性能要*，這對(duì)于厚( 或大斷面) 鋼材尤為重要。
( 2) 要具備滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求的化學(xué)成分、室溫和高溫力學(xué)性能的要求。
( 3) 要具有能夠在苛刻環(huán)境下長(zhǎng)期使用的抗環(huán)境脆化性能。
在閥門招標(biāo)文件中對(duì)于閥門的致密度有明確的要求，對(duì)于鍛造閥門，一般會(huì)通過(guò)對(duì)鍛件的鍛造比、晶粒度等要求，來(lái)實(shí)現(xiàn)控制致密度的要求。但是，對(duì)于鑄造閥門，只是在相關(guān)的技術(shù)文件中，提到應(yīng)使鑄件體致密度均勻，消除鑄件的縮孔與縮松，少有見(jiàn)到量化指標(biāo)。其實(shí)恰恰是鑄造閥門，往往因?yàn)閷?duì)鑄造工藝的質(zhì)量控制不同，造成閥門鑄件的質(zhì)量差別很大，主要影響因素有： 成型材料的選擇不同，澆冒口的設(shè)置不同，冷鐵位置與數(shù)量的選擇不同，凝固順序的差異，以及冷卻時(shí)間的不同等，都會(huì)導(dǎo)致其致密度、均質(zhì)性性能差別很大。后續(xù)的熱處理工藝也是閥門質(zhì)量保證的非常關(guān)鍵的步驟之一，熱處理爐的溫控、鑄件在熱處理爐中的碼放、保溫時(shí)間及冷卻方式與速度等因素都會(huì)影響zui終閥門鑄件的機(jī)械性能。耐磨閥門的產(chǎn)生：閥門是用來(lái)控制液體、氣體等介質(zhì)的流動(dòng)方向和流量的裝置，具有斷流、節(jié)流、分流、止回等功能。在工作過(guò)程中，閥門長(zhǎng)時(shí)間受到高速流動(dòng)的流體的磨損或腐蝕，會(huì)發(fā)生泄漏或者出現(xiàn)故障，因此，閥門用內(nèi)襯耐磨材料來(lái)減輕磨損，這時(shí)，閥門被稱為“耐磨閥門”。耐磨閥門的品種及規(guī)格繁多，管徑zui大可達(dá)10m， 可承受1000MPa的高壓。閥門作用的介質(zhì)也多種多樣，包括粉、液、氣或兩相甚至三相混合介質(zhì)，應(yīng)用行業(yè)非常廣泛。
耐磨閥門主要應(yīng)用在以下五個(gè)行業(yè)：
1）礦業(yè)：選礦廠中利用刀閘閥控制礦漿的流動(dòng)與截止；利用夾管閥控制礦漿流量；利用止回閥防止礦漿倒流；利用三通閥實(shí)現(xiàn)兩泵一閥的設(shè)置，省掉一條管路的投資。由于礦漿對(duì)閥門磨損較大，所以要求礦用閥門具有較高的耐磨性。
2）建筑業(yè)：空調(diào)系統(tǒng)中應(yīng)用到的閥門種類較多，如空調(diào)循環(huán)水系流量控制及流向控制選用的閘閥，防止停電時(shí)水造成的壓力采用的止回閥等。
3）石油化工行業(yè)：煉油裝置中，閥門主要用于管道中油類液體的啟閉、節(jié)流和調(diào)壓，主要有閘閥、截止閥、安全閥等，其中閥門應(yīng)用zui多的為閘閥，約占總數(shù)的80%左右。
4）冶金行業(yè)：煉鋼是冶金行業(yè)中zui主要的工藝，對(duì)閥門的要求也比較苛刻，如各個(gè)部分冷卻水以及氧氣、氮?dú)獾葔嚎s氣體的開(kāi)關(guān)，主要可采用蝶閥、四通閥、截止閥等。
5）電力行業(yè)：我國(guó)發(fā)電站逐漸向大型化發(fā)展，所以也就要求閥門的口徑也較大，現(xiàn)主要用于控制各種設(shè)備的運(yùn)行及管路上液體介質(zhì)的輸送情況，如閘閥、安全閥、減壓閥、蝶閥等。
3.2、工藝要求
煤直接液化既有加氫裝置高溫、高壓、臨氫的特性，又有煤化工腐蝕磨損工況并存的特點(diǎn)，因此，原材料的來(lái)源非常關(guān)鍵，目前，還沒(méi)有找到一個(gè)行之有效的方法來(lái)控制原材料的選用，一般來(lái)講，對(duì)閥門材質(zhì)的成分尤其是有害元素含量，如S、P、O、N 及總碳當(dāng)量等，提出相應(yīng)的明確的指標(biāo)要求，雖然這種要求往往高于材料的基本普通要求，但是，對(duì)于zui終產(chǎn)品質(zhì)量，僅靠這些成分指標(biāo)還是不夠的，因?yàn)橛绊懺牧蠙C(jī)械性能的微量元素遠(yuǎn)不止這些。嚴(yán)格的講，我們的要求僅是對(duì)常見(jiàn)的危害材料機(jī)械性能的微量元素予以控制，并沒(méi)有也不可能*將所有可能出現(xiàn)的對(duì)金屬材料機(jī)械性能有害元素成分全部羅列出來(lái)。因此，鑄造廠應(yīng)該嚴(yán)格控制原料來(lái)源，對(duì)于所加工的原料不僅應(yīng)該進(jìn)行熔煉，還應(yīng)該進(jìn)一步進(jìn)行精煉，特別是加強(qiáng)爐前控制，只有這樣才有可能保證鑄件質(zhì)量。
在保證原材料質(zhì)量的前提下，針對(duì)該類裝置還有一些特殊的要求：
(1) 對(duì)于現(xiàn)代煤化工裝置的鑄造閥門不能采用精密鑄造工藝。因?yàn)槊阂夯词羌託淞鸦に?，由于氫分子?duì)金屬材料特殊的穿透性，而精密鑄造出來(lái)的鑄件比較疏松，均勻性也較差，因此，對(duì)于臨氫工況和高溫高壓工況都不適宜采用精密鑄造工藝取得閥門鑄件；
(2) 奧氏體不銹鋼要進(jìn)行固溶化熱處理( 固溶化熱處理溫度為1050 ± 10℃) ，對(duì)于321 和347材料，還應(yīng)進(jìn)行穩(wěn)定化熱處理( 穩(wěn)定化溫度為900± 10℃)；
(3) 熱處理爐不應(yīng)采用燃煤加熱爐，應(yīng)采用電加熱爐或者是天然氣加熱爐，鑄件在加熱爐內(nèi)碼放應(yīng)利于爐內(nèi)氣流循環(huán)。由于煤加熱爐會(huì)加大爐體各部位的溫差，因此，不能采用燃煤加熱爐；
(4) 鑄件試棒的選取應(yīng)為聯(lián)體試件。“分體”試棒無(wú)論是澆鑄過(guò)程還是熱處理過(guò)程都無(wú)法真正代表鑄件本身的特性，與鑄件本身實(shí)際的機(jī)械性能存在較大的誤差，因此，不能采用“分體”試棒檢驗(yàn)；
(5) 所有閥門必須對(duì)鑄件進(jìn)行射線檢查，檢查的范圍包括閥體、密封元件、閥蓋，鑄鋼件在凝固過(guò)程中易產(chǎn)生缺陷，尤其對(duì)于鑄鋼件的關(guān)鍵部位、應(yīng)力集中區(qū)域、承壓能力薄弱的部位等，應(yīng)特別加以關(guān)注。對(duì)于碳鋼、合金鋼鑄造閥門，應(yīng)逐件進(jìn)行磁粉或液體滲透檢查。檢查范圍： 閥體、閥蓋和密封元件的外表面及可觸及的內(nèi)表面和閥桿。對(duì)于不銹鋼鑄造閥門，應(yīng)逐件進(jìn)行液體滲透檢查。檢查范圍： 閥體、閥蓋和密封件的外表面及可觸及的內(nèi)表面和閥桿；
(6) 每個(gè)承壓鑄件的所有補(bǔ)焊面積總和應(yīng)不超過(guò)鑄件的表面積的10%；每個(gè)承壓鑄件的重大補(bǔ)焊數(shù)量，DN50～DN100 不超過(guò)1個(gè)；DN150 ～DN250 不超過(guò)2 個(gè)；DN300 ～DN350 不超過(guò)3 個(gè)。
上述鑄造缺陷的補(bǔ)焊應(yīng)在zui終熱處理之前進(jìn)行；當(dāng)在射線探傷時(shí)發(fā)現(xiàn)有缺陷，且屬于可補(bǔ)焊修復(fù)的，允許進(jìn)行1 次補(bǔ)焊。補(bǔ)焊后應(yīng)重新拍片檢驗(yàn)，檢驗(yàn)合格后該鑄件必須重新進(jìn)行熱處理。補(bǔ)焊應(yīng)具備焊接規(guī)程及工藝鑒定證書，填充金屬的物理、化學(xué)性能及耐腐蝕性均應(yīng)與母體金屬接近。所有受壓組件的缺陷zui終熱處理之后，均不允許通過(guò)焊補(bǔ)進(jìn)行修理。
3.3、要具有能夠在苛刻環(huán)境下長(zhǎng)期使用的抗環(huán)境脆化性能
對(duì)于操作在高溫高壓氫環(huán)境下的閥門，在操作狀態(tài)下，閥門內(nèi)壁中會(huì)吸收一定量的氫。在停工的過(guò)程中，若冷卻速度太快，使吸附的氫來(lái)不及擴(kuò)散出來(lái)，造成過(guò)飽和氫殘留在器壁內(nèi)，就可能在溫度低于150℃時(shí)引起亞臨界裂紋擴(kuò)展，給閥門的安全使用帶來(lái)威脅。閥門制造廠在閥門焊接時(shí)需要注意控制TP347 中δ 鐵素體含量，焊態(tài)時(shí)zui大值以10%為宜( 為防止焊接中產(chǎn)生熱裂紋，下限可控制不低于3% ) ，以避免含量過(guò)多時(shí)在焊后zui終熱處理過(guò)程發(fā)生較多的相變，而產(chǎn)生脆性。
3.4、閥門結(jié)構(gòu)要求
上海申弘閥門有限公司主營(yíng)閥門有：截止閥,電動(dòng)截止閥閥門結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)避免煤漿結(jié)焦使閥門失效并方便清洗。油煤漿有一個(gè)特點(diǎn)： 如果流通不暢或者靜止不動(dòng)，也就是介質(zhì)的流況不好，將會(huì)沉積并有可能發(fā)生聚合反應(yīng)，從而出現(xiàn)結(jié)焦并使閥門抱死。目前在直接液化煤漿管道上使用的切斷閥門全部是球閥，當(dāng)操作需要切斷管道將球閥關(guān)閉時(shí)，閥球內(nèi)部的油煤漿因?yàn)闊o(wú)法排出，沉積在球腔內(nèi)，就有可能結(jié)焦抱死。當(dāng)球閥關(guān)閉后，煤漿因?yàn)槌练e結(jié)焦而致閥球無(wú)法再次打并將球閥的耐磨層毀損剝落。所以，其實(shí)在此工況下選用球閥并不是zui合適的選擇。
3.5、閥門耐磨要求
漿料工況下使用的球閥應(yīng)采用金屬硬密封形式，且閥座與球的材質(zhì)相同，確保兩者有相同的膨脹系數(shù)，在高溫的條件下不會(huì)出現(xiàn)球體‘卡死’的現(xiàn)象。由于閥門的很多使用工況是在高溫高壓下的，根據(jù)使用經(jīng)驗(yàn)，有些閥門在常溫下測(cè)試沒(méi)有問(wèn)題，但是在高溫工況下發(fā)生啟閉操作困難，究其原因是閥芯與閥體之間產(chǎn)生不同步熱脹造成的。所以，生產(chǎn)廠在出廠前應(yīng)做高溫啟閉試驗(yàn)。但高溫啟閉試驗(yàn)絕不是將整個(gè)閥門投入熱源中，使閥門整個(gè)溫度升高，這樣所得到的測(cè)試結(jié)果與實(shí)際情況是不符合的。因?yàn)椋谡嬲褂眠^(guò)程中，閥門是因介質(zhì)溫度高而升溫的，此時(shí)是閥芯先熱而閥體外表面隨后慢熱起來(lái)，如果將整個(gè)閥門投入熱源中，則閥體先熱而閥芯后熱，與實(shí)際工況正好相反，起不到測(cè)試的目的。高溫啟閉試驗(yàn)應(yīng)建立與實(shí)踐工況相一致的溫度梯度。
涂層與基本材質(zhì)的膨脹率應(yīng)相近。否則，在高溫和常溫交變過(guò)程或者高溫下，易產(chǎn)生龜裂，從而更易使涂層剝落。對(duì)超音速噴涂(HVOF) 或類似的方法，涂層表面硬度為64～68HRC，結(jié)合強(qiáng)度不小于10MPa；對(duì)冶金熔合或類似的方法，涂層表面硬度為62 ～68HRC，結(jié)合強(qiáng)度不小于70 MPa。涂層的有效厚度(不包括過(guò)渡層) 為0.2 ～0.5mm。閥座應(yīng)采用刮刀式設(shè)計(jì)。在球體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)可提供一個(gè)掛刷的動(dòng)作，防止閥球與閥座間的顆粒沉積。在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該注意，利用刮刀可以將球體與閥座間的顆粒掛刷掉，但是，這種刮刀設(shè)計(jì)在有的工況下會(huì)帶來(lái)另一個(gè)問(wèn)題： 因?yàn)楦綆Я斯蔚对O(shè)計(jì)，在刮刀處形成了一個(gè)銳角，而這種銳角勢(shì)必產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，更加不利于涂層與基材之間的結(jié)合，在磨蝕工況下，更易導(dǎo)致涂層的剝落，致使閥座毀損。
4、結(jié)語(yǔ)
現(xiàn)代煤化工對(duì)管道和閥門的要求與選用與傳統(tǒng)石油化工工藝的要求有著諸多不同，裝備制造和選型工作面臨著新的挑戰(zhàn)，在管道與閥門方面，多年來(lái)，設(shè)計(jì)、使用單位與閥門制造企業(yè)共同努力，充分調(diào)動(dòng)各自的技術(shù)資源進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)，如今在該類閥門的設(shè)計(jì)水平、制造技術(shù)等方面都有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，并正在進(jìn)一步完善結(jié)構(gòu)及制造工藝，擴(kuò)大應(yīng)用領(lǐng)域。與本文相關(guān)的論文：化工堿渣截止閥
