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耐磨閥在煤化工應用
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之前介紹三臺氣體減壓閥串聯(lián)減壓，現(xiàn)在介紹耐磨閥在煤化工應用介紹了現(xiàn)代煤化工中的2 種工藝———直接液化與間接液化的異同點。通過對現(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行了分析，以期能夠為煤化工企業(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%，特種耐磨材料對高新技術(shù)的發(fā)展起著重要的推動和支撐作用，是二十一世紀世界各國新材料領(lǐng)域研究發(fā)展的重點，也是世界各國高技術(shù)發(fā)展中戰(zhàn)略競爭的熱點，跟隨我們的腳步關(guān)注耐磨材料發(fā)展動態(tài)。
耐磨閥在煤化工應用產(chǎn)品工藝特點：
1、化學成份匹配： 合理的化學成份是寧國南方公司全體科研人員通過多年的摸索逐步優(yōu)化形成的控制曲線，具有*化學成份匹配方法，使它能更好的服務韌性和硬度相結(jié)合，達到*狀態(tài)。
2、熔煉工藝特點： 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： 溫控工藝是鉻系鑄球生產(chǎn)中一項非常重要、復雜的工藝，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)過程中達到良好的境界。
4、成型工藝特點： 在澆注溫度與模具溫度溫差在1500℃時澆注，可以使產(chǎn)品內(nèi)部組織晶粒細化而更加致密，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點上，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： 采用全自動油淬火生產(chǎn)線，進行淬火、回火處理，使它燒的透、淬的透，均能達到研磨材料基體不破碎、不失圓、耐磨系數(shù)高等特點。
6、檢測手段： 有光譜直讀儀、自動碳檢測儀、高空落球試驗機、金相顯微鏡等儀器追蹤檢測，確保不合格產(chǎn)品不出廠。
1、引言
現(xiàn)代煤化工在我國尚屬新興產(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，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圖，從圖中可以看出，煤通過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，當然，也可以繼續(xù)進行深加工，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行裂解加氫，直接轉(zhuǎn)化成液體燃料，再進一步加工精制成汽油、柴油等燃料油，所以又稱加氫液化。
煤制油化工工藝簡圖
圖1 煤制油化工工藝簡圖
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；油煤漿進料，設(shè)備體積小，投資低，運行費用低。但是反應條件相對較苛刻，如德國老工藝液化壓力甚至高達70MPa，現(xiàn)代工藝如IGOR、HTI、NEDOL 等液化壓力也達到17 ～ 30MPa，液化溫度430 ～ 470℃。同時，除液化反應器的產(chǎn)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)加工等過程。
采用煤間接液化工藝合成條件較溫和，無論是固定床、流化床還是漿態(tài)床，反應溫度均低于350℃，反應壓力2.0～3.0MPa；轉(zhuǎn)化率高，如SASOL 公司SAS 工藝采用熔鐵催化劑，合成氣的一次通過轉(zhuǎn)化率達到60% 以上，循環(huán)比為2.0時，總轉(zhuǎn)化率即達90% 左右；但是受合成過程鏈增長轉(zhuǎn)化機理的限制，目標產(chǎn)品的選擇性相對較低，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。同時反應物均為氣相，設(shè)備體積龐大，投資高，運行費用高。煤基間接液化全部依賴于煤的氣化，沒有大規(guī)模氣化便沒有煤基間接液化。
無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℃，反應壓力2.0 ～3.0MPa；這么多復雜的成分與工況要求，對其裝置中使用的閥門從材料到制造加工都會提出一些特殊要求。
3、現(xiàn)代煤化工對閥門產(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，氫損傷就是一個很大的問題。高溫高壓硫化氫與氫共存時的腐蝕也很嚴重。正因為如此，為抗高溫硫化氫的腐蝕通常閥門材料會選用奧氏體不銹鋼。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力腐蝕開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中有油煤漿的存在，煤漿對閥門、管道等設(shè)備材料的磨損問題必須要進行考慮。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。具體來說，應該具有：
( 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*，這對于厚( 或大斷面) 鋼材尤為重要。
( 2) 要具備滿足設(shè)計規(guī)范要求的化學成分、室溫和高溫力學性能的要求。
( 3) 要具有能夠在苛刻環(huán)境下長期使用的抗環(huán)境脆化性能。
在閥門招標文件中對于閥門的致密度有明確的要求，對于鍛造閥門，一般會通過對鍛件的鍛造比、晶粒度等要求，來實現(xiàn)控制致密度的要求。但是，對于鑄造閥門，只是在相關(guān)的技術(shù)文件中，提到應使鑄件體致密度均勻，消除鑄件的縮孔與縮松，少有見到量化指標。其實恰恰是鑄造閥門，往往因為對鑄造工藝的質(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，以及冷卻時間的不同等，都會導致其致密度、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、保溫時間及冷卻方式與速度等因素都會影響zui終閥門鑄件的機械性能。耐磨閥門的產(chǎn)生：閥門是用來控制液體、氣體等介質(zhì)的流動方向和流量的裝置，具有斷流、節(jié)流、分流、止回等功能。在工作過程中，閥門長時間受到高速流動的流體的磨損或腐蝕，會發(fā)生泄漏或者出現(xiàn)故障，因此，閥門用內(nèi)襯耐磨材料來減輕磨損，這時，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)，應用行業(yè)非常廣泛。
耐磨閥門主要應用在以下五個行業(yè)：
1）礦業(yè)：選礦廠中利用刀閘閥控制礦漿的流動與截止；利用夾管閥控制礦漿流量；利用止回閥防止礦漿倒流；利用三通閥實現(xiàn)兩泵一閥的設(shè)置，省掉一條管路的投資。由于礦漿對閥門磨損較大，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，對閥門的要求也比較苛刻，如各個部分冷卻水以及氧氣、氮氣等壓縮氣體的開關(guān)，主要可采用蝶閥、四通閥、截止閥等。
5）電力行業(yè)：我國發(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，因此，原材料的來源非常關(guān)鍵，目前，還沒有找到一個行之有效的方法來控制原材料的選用，一般來講，對閥門材質(zhì)的成分尤其是有害元素含量，如S、P、O、N 及總碳當量等，提出相應的明確的指標要求，雖然這種要求往往高于材料的基本普通要求，但是，對于zui終產(chǎn)品質(zhì)量，僅靠這些成分指標還是不夠的，因為影響原材料機械性能的微量元素遠不止這些。嚴格的講，我們的要求僅是對常見的危害材料機械性能的微量元素予以控制，并沒有也不可能*將所有可能出現(xiàn)的對金屬材料機械性能有害元素成分全部羅列出來。因此，鑄造廠應該嚴格控制原料來源，對于所加工的原料不僅應該進行熔煉，還應該進一步進行精煉，特別是加強爐前控制，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，針對該類裝置還有一些特殊的要求：
(1) 對于現(xiàn)代煤化工裝置的鑄造閥門不能采用精密鑄造工藝。因為煤液化即是加氫裂化工藝，由于氫分子對金屬材料特殊的穿透性，而精密鑄造出來的鑄件比較疏松，均勻性也較差，因此，對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) 奧氏體不銹鋼要進行固溶化熱處理( 固溶化熱處理溫度為1050 ± 10℃) ，對于321 和347材料，還應進行穩(wěn)定化熱處理( 穩(wěn)定化溫度為900± 10℃)；
(3) 熱處理爐不應采用燃煤加熱爐，應采用電加熱爐或者是天然氣加熱爐，鑄件在加熱爐內(nèi)碼放應利于爐內(nèi)氣流循環(huán)。由于煤加熱爐會加大爐體各部位的溫差，因此，不能采用燃煤加熱爐；
(4) 鑄件試棒的選取應為聯(lián)體試件。“分體”試棒無論是澆鑄過程還是熱處理過程都無法真正代表鑄件本身的特性，與鑄件本身實際的機械性能存在較大的誤差，因此，不能采用“分體”試棒檢驗；
(5) 所有閥門必須對鑄件進行射線檢查，檢查的范圍包括閥體、密封元件、閥蓋，鑄鋼件在凝固過程中易產(chǎn)生缺陷，尤其對于鑄鋼件的關(guān)鍵部位、應力集中區(qū)域、承壓能力薄弱的部位等，應特別加以關(guān)注。對于碳鋼、合金鋼鑄造閥門，應逐件進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。對于不銹鋼鑄造閥門，應逐件進行液體滲透檢查。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) 每個承壓鑄件的所有補焊面積總和應不超過鑄件的表面積的10%；每個承壓鑄件的重大補焊數(shù)量，DN50～DN100 不超過1個；DN150 ～DN250 不超過2 個；DN300 ～DN350 不超過3 個。
上述鑄造缺陷的補焊應在zui終熱處理之前進行；當在射線探傷時發(fā)現(xiàn)有缺陷，且屬于可補焊修復的，允許進行1 次補焊。補焊后應重新拍片檢驗，檢驗合格后該鑄件必須重新進行熱處理。補焊應具備焊接規(guī)程及工藝鑒定證書，填充金屬的物理、化學性能及耐腐蝕性均應與母體金屬接近。所有受壓組件的缺陷zui終熱處理之后，均不允許通過焊補進行修理。
3.3、要具有能夠在苛刻環(huán)境下長期使用的抗環(huán)境脆化性能
對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)壁中會吸收一定量的氫。在停工的過程中，若冷卻速度太快，使吸附的氫來不及擴散出來，造成過飽和氫殘留在器壁內(nèi)，就可能在溫度低于150℃時引起亞臨界裂紋擴展，給閥門的安全使用帶來威脅。閥門制造廠在閥門焊接時需要注意控制TP347 中δ 鐵素體含量，焊態(tài)時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% ) ，以避免含量過多時在焊后zui終熱處理過程發(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閥門有：截止閥,電動截止閥閥門結(jié)構(gòu)的設(shè)計應避免煤漿結(jié)焦使閥門失效并方便清洗。油煤漿有一個特點： 如果流通不暢或者靜止不動，也就是介質(zhì)的流況不好，將會沉積并有可能發(fā)生聚合反應，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，當操作需要切斷管道將球閥關(guān)閉時，閥球內(nèi)部的油煤漿因為無法排出，沉積在球腔內(nèi)，就有可能結(jié)焦抱死。當球閥關(guān)閉后，煤漿因為沉積結(jié)焦而致閥球無法再次打并將球閥的耐磨層毀損剝落。所以，其實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，有些閥門在常溫下測試沒有問題，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)廠在出廠前應做高溫啟閉試驗。但高溫啟閉試驗絕不是將整個閥門投入熱源中，使閥門整個溫度升高，這樣所得到的測試結(jié)果與實際情況是不符合的。因為，在真正使用過程中，閥門是因介質(zhì)溫度高而升溫的，此時是閥芯先熱而閥體外表面隨后慢熱起來，如果將整個閥門投入熱源中，則閥體先熱而閥芯后熱，與實際工況正好相反，起不到測試的目的。高溫啟閉試驗應建立與實踐工況相一致的溫度梯度。
涂層與基本材質(zhì)的膨脹率應相近。否則，在高溫和常溫交變過程或者高溫下，易產(chǎn)生龜裂，從而更易使涂層剝落。對超音速噴涂(HVOF) 或類似的方法，涂層表面硬度為64～68HRC，結(jié)合強度不小于10MPa；對冶金熔合或類似的方法，涂層表面硬度為62 ～68HRC，結(jié)合強度不小于70 MPa。涂層的有效厚度(不包括過渡層) 為0.2 ～0.5mm。閥座應采用刮刀式設(shè)計。在球體轉(zhuǎn)動時可提供一個掛刷的動作，防止閥球與閥座間的顆粒沉積。在設(shè)計時，應該注意，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)計在有的工況下會帶來另一個問題： 因為附帶了刮刀設(shè)計，在刮刀處形成了一個銳角，而這種銳角勢必產(chǎn)生應力集中現(xiàn)象，更加不利于涂層與基材之間的結(jié)合，在磨蝕工況下，更易導致涂層的剝落，致使閥座毀損。
4、結(jié)語
現(xiàn)代煤化工對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，設(shè)計、使用單位與閥門制造企業(yè)共同努力，充分調(diào)動各自的技術(shù)資源進行技術(shù)攻關(guān)，如今在該類閥門的設(shè)計水平、制造技術(shù)等方面都有了長足的進步，并正在進一步完善結(jié)構(gòu)及制造工藝，擴大應用領(lǐng)域。與本文相關(guān)的論文：化工堿渣截止閥
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