“通过行之有效的国产化工作，打破了国外产品的垄断，有效地提升了国内耐磨开关阀的技术水平。”
——肖书舟，中国石化股份公司安庆分公司

安庆石化分公司化肥油改煤煤气化装置中的关键设备均采用进口产品，装置经过一年多的运行，部分关键设备已达到甚至超过运行寿命。考虑到经济性，安庆石化分公司通过分析进口开关阀运行现状和特点，对壳牌粉煤气化装置中44台进口开关阀进行国产化试制，经过各项工艺、技术指标考核，获得国产化成功。

进口开关阀运行现状

安庆石化分公司化肥油改煤煤气化装置采用了目前国际最先进的干煤粉气流化床加压气化工艺（SHELL 工艺包），工艺条件复杂，对设备的技术要求苛刻，装置中的关键设备均采用进口产品。该装置经过一年多的运行，部分关键设备已达到甚至超过运行寿命。其中，44台进口开关阀包括锁斗阀、平衡阀、锁渣阀和锁灰阀设计运行寿命为在线动作20 000次。尤其是锁斗阀、锁渣阀，运行故障频发，严重影响到整个装置的正常生产，甚至无法正常开工。其中的4台锁斗阀，在使用2~3个月后就出现两个问题：一是阀门开关不到位，出现卡涩，甚至卡死，如图1；二是介质冲刷腐蚀严重，密封不严，如图2。

图1  执行机构拨叉损坏，阀门卡死

进口开关阀由于介质为固体颗粒，加之开关动作频繁，所以介质对阀门，尤其是阀球和阀座的冲刷、腐蚀特别严重（如图2、图3）。此外由于介质为细小粉煤、渣水或飞灰，介质容易渗透到运动部件之间，造成阀门卡死。出现卡涩后，现场及时采用氮气进行人工吹扫（如图4），有一定的效果，但操作风险极大，极易造成操作人员的人身伤害和装置的意外停车。

图2  阀球、阀座腐蚀冲刷，密封不严

进口开关阀工艺和技术特点

壳牌煤气化装置使用的44台进口开关阀，包括锁斗阀、平衡阀、锁渣阀和锁灰阀，分别用于煤仓的粉煤输送、渣池的渣水排放和灰斗仓的飞灰输送，工艺流程如图5。因工艺设计条件要求，这些阀门需要按流程顺序动作，开关频繁。一旦发生架桥现象，人工去桥就需要阀门反复开关动作，直到去桥成功为止，去桥不成功就必须停工拆卸设备处理。

图3  阀座腐蚀冲刷严重，无法密封

进口开关阀（锁斗阀、锁渣阀、锁灰阀）工艺情况如表1~3所示。

图4  阀体部件吹扫口，可人工吹扫

44台进口开关阀均为两段式金属硬密封球阀，压力等级为ANSI 600LB，通径分别为DN300-80不等，阀球和阀座为双相钢、表面喷焊镍基合金，硬度HRC58-55。阀体流道做耐磨处理，阀体上增加了两道吹扫口，一旦出现异常，可及时进行人工吹扫，进口开关阀结构如图6所示[1]。

国产化试制

进口开关阀故障分析

图5  工艺流程简图

在试制国产化开关阀（DN300的锁斗阀、锁渣阀）的过程中，根据阀门现场运行情况、样机拆装分析和数值模拟计算等手段，最后确定以下3个主要的进口开关阀故障。

图6  进口开关阀的结构示意图

1.支架变形，强度差 [2] 。

进口锁斗阀尚未出现卡涩现象时就出现气缸晃动情况，导致气缸与支架的连接螺丝松动，安装维修人员必须不间断的维护处理。在运行过程中多次发生气缸支撑环磨损、气缸拨叉套件损坏、气缸活塞杆损坏等故障，甚至发生支架变形开裂的设备问题。 

  
图7  进口锁斗阀支架应力分析

对进口特阀的支架结进行有限元分析，发现进口阀门支架在运行扭矩下的应力接近了屈服应力且变形较大，见图7和图8。

图8  进口锁斗阀支架变形分析

支架变形导致气缸在运行中晃动，气缸拨叉轴套与阀杆同心度偏离，从而导致气缸各配合间隙的破坏、阀杆与阀盖的内置轴承套反复偏磨，最终导致阀杆密封加速失效、阀门卡死。

2.阀座、阀杆密封泄漏，结构不合理。

进口开关阀阀杆部位的密封结构见图9[2]，其采用的是普通高温型石墨盘根密封；阀座密封结构采用的是常规活塞效应，蝶形弹簧补偿磨损，见图6。

图9  进口开关阀杆内密封结构

对于高压流化态粉煤介质和阀门本身的频繁动作，此种密封极易磨损，密封腔体内密封结构不合理，导致粉煤侵入阀杆导向和阀座密封部位，拆检后发现部分密封已经完全失效，流化态粉煤完全侵入了导向部位，影响轴承环及阀杆支撑的正常功能，甚至导致阀杆与支撑的相互咬死，以及阀座与阀体之间的间隙被固体充满堵塞，使活塞效应无法起作用。

图10  改进支架应力分析

3.执行机构输出力矩不够。

进口阀门刚开始运行时，阀门在4.5bar的工作气源压力下可以动作，动作1000次左右，在5.5bar的工作气源压力下稍有异常，动作1500次左右，5.5bar的工作气源压力阀门不能工作，有爬行现象，加至7.0bar才勉强动作。可见，气缸输出力矩偏小。

图11  改进支架变形分析

试制措施

1．增强支架的强度和刚度。

图12  球体与阀座自刮削功能示意图

采用增加支架壁厚，加设加强筋的方法，提高支架的强度和刚度，对改进后的支架进行有限元分析，其安全系数达到8，变形量下降了一个数量级，见图10和图11。

图13  阀杆防堵吹扫结构示意图

2.球体与阀座自刮削、自清洁。

球体与阀体密封面都设计为刮削结构，使得阀门在每次在关闭或开启时可以对球体和阀座密封面进行清洁，保护球座间密封。如图12所示。

图14  阀体防堵吹扫结构示意图

3.上阀杆吹扫结构优化。

在上阀杆与定位套之间设置氮气吹扫通道，上阀杆与阀盖间隙处设置两道密封环，通过吹扫，有效防止微小固体介质向填料方向的侵蚀，保证阀杆间隙的清洁，如图13所示。

图15  试制方案的阀座密封补偿结构

4．阀座弹簧补偿结构的优化。

当介质温度、压力发生变化时，球体受到的作用力会有一定的波动。此时弹簧会随着球体的位移而进行自动调节密封面所受的比压，使密封面压强保持在设计比压与许用比压之间[3]，既能增加密封的可靠性又能延长密封面使用寿命。如图15所示。为防止弹簧腔进粉，在阀座与阀体之间加强密封，防止粉体卡涩阀座，导致弹簧补偿和活塞效应失效。

图16  阀杆与球体整体的连杆球结构

5.阀门中腔吹扫结构优化。

阀体中腔靠近阀杆处增加两个朝向中腔的吹扫孔，每次在阀门开关后都可以用氮气进行吹扫，强制残留在阀座与球体表面和阀杆表面的细小颗粒进入流道，保持阀门的清洁，特别是能防止微小颗粒进入阀轴间隙。如图14所示。

图17  下阀杆支撑防介质侵入结构

6.阀杆与球体一体化的连杆球结构优化。

球体与阀杆一体式结构设计，阀球中心定位准确，便于加工，该结构还能减少阀杆的弯曲应力，使阀杆只承受扭转时的扭应力，从而减小阀门开关力距，阀门动作相对轻松。如图16所示。

7.下阀杆支撑防介质侵入结构优化。

为防止微小颗粒进入下阀杆支撑轴端，下阀杆支撑轴端与阀体处加设了防尘垫，并设有置两道橡胶“O”型圈与一道对位聚苯（PPL）密封圈，有效阻止细小颗粒进入轴端，以防止阀杆支撑轴转动不灵活或卡死。如图17所示。

图18  锁斗阀现场安装图

改进效果

为便于锁斗阀性能比较，采用一台进口一台国产串行安装模式，进行在线比较，如图18；锁渣阀直接更换替代进口特阀。见现场安装图19。

经过现场运行跟踪分析和离线拆卸、解体检查，各项指标完全满足工艺需要和技术要求，整阀性能良好，国产化工作初见成效 。

图19  锁渣阀现场安装图

自2008年9月至今，我们已成功完成了8个批次，共计7个规格品种，44台锁斗阀、平衡阀、锁渣阀、锁灰阀和粉煤放空阀进口特阀的国产化工作。

结束语

经过运行考核，国产化开关阀各项指标均能满足工艺和技术要求，运行可靠，性能良好。国产化采购成本不到进口阀门的20%，为安庆石化挖潜增效，有效地降低生产成本做出了贡献。通过行之有效的国产化工作，打破了国外产品的垄断，有效地提升了国内耐磨开关阀的技术水平。

【参考文献】

[1] 成雷.壳牌煤气化装置中煤粉输送系统特种阀的故障分析及其国产化进展[J].流体机械，2010，（8）:51-52.

[2] 肖书舟.煤汽化炉装置锁斗阀结构的改进          [J].通用机械，2008，（10）:60-61.

[3] 杨源泉.阀门设计手册[M].北京：机械工业出版社，1992.