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耐磨閥在煤化工應(yīng)用
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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(lèi)裝置上使用的閥門(mén)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(mén)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(mén)等設(shè)備，煤液化所使用的閥門(mén)與一般石油化工裝置所使用的閥門(mén)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(mén)的抗蝕、耐磨損能力。耐磨閥門(mén)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(mén)。但在現(xiàn)代煤化工中，所使用的耐磨閥門(mén)，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(lèi)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(lèi)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(mén)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(mén)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(mén)、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?chē)?yán)重。正因?yàn)槿绱?，為抗高溫硫化氫的腐蝕通常閥門(mén)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(mén)、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(mén)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(mén)招標(biāo)文件中對(duì)于閥門(mén)的致密度有明確的要求，對(duì)于鍛造閥門(mén)，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(mén)，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(mén)，往往因?yàn)閷?duì)鑄造工藝的質(zhì)量控制不同，造成閥門(mén)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(mén)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(mén)鑄件的機(jī)械性能。耐磨閥門(mén)的產(chǎn)生：閥門(mén)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(mén)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(mén)用內(nèi)襯耐磨材料來(lái)減輕磨損，這時(shí)，閥門(mén)被稱為“耐磨閥門(mén)”。耐磨閥門(mén)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(mén)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(mén)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(mén)磨損較大，所以要求礦用閥門(mén)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(mén)種類(lèi)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(mén)主要用于管道中油類(lèi)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(mén)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(mén)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(mén)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(mén)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(lèi)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(mén)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(mén)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(mén)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(mén)，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(mén)，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(shū)，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(mén)，在操作狀態(tài)下，閥門(mén)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(mén)的安全使用帶來(lái)威脅。閥門(mén)制造廠在閥門(mén)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(mén)結(jié)構(gòu)要求
上海申弘閥門(mén)有限公司主營(yíng)閥門(mén)有：截止閥,電動(dòng)截止閥閥門(mén)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)避免煤漿結(jié)焦使閥門(mén)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(mén)抱死。目前在直接液化煤漿管道上使用的切斷閥門(mén)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(mén)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(mén)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(mén)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(mén)投入熱源中，使閥門(mén)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)?，在真正使用過(guò)程中，閥門(mén)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(mén)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(lèi)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(lèi)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(mén)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(mén)方面，多年來(lái)，設(shè)計(jì)、使用單位與閥門(mén)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(lèi)閥門(mén)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
