
粉煤加压输送系统关键阀门的磨损特性与结构改进——基于榆林地区工厂实际运行数据
贺会龙,韩磊,刘栋,马腾
(陕煤集团榆林化学有限责任公司,陕西榆林 719000)
摘要
1 作为我国现代煤化工产业的核心示范区,榆林集聚了陕煤榆林化学1500万吨/年煤炭分质转化、神渭727公里输煤管道等一批重点项目,其粉煤加压输送系统的工况极特殊,如含尘量高的煤浆(颗粒浓度≥350kg/m3),输送距离长且需要加压输送,运行多个不同的工艺工况条件等。以锁斗阀、流量调节阀、三通换向阀为代表的阀门产品使用寿命只有6个月左右,极易发生阀体磨损失效、阀芯卡涩停机和维护费用高等问题。本文通过对包括神木化工、榆林能化在内的工厂失效阀门的拆解分析,利用CFD-DEM数值模拟和现场试验数据等手段,揭开了榆林地区特有的“煤浆高浓度冲蚀-温差应力耦合-颗粒粘附研磨”三重磨损机理。在此基础上提出了“材料梯度强化-抗粘附结构设计-本地化适配优化”的阀门改进方案,研制出适用于榆林煤质的氧化锆-碳化硅复合密封副、防结垢流线型阀内件和温差补偿结构,并经过陕煤榆林化学二期项目的工业试验验证,阀门无故障运行时间从传统金属阀门的4-6个月延长至4.8年,流量控制精度由原来的不超过±7%降至≤±7%,单套装置年维护成本减少上700余万元。本课题的研究成果可以有效保障榆林地区乃至类似工况下的粉煤加压输送系统稳定运行。
关键词:粉煤加压输送;关键阀门;磨损机理;结构改进;榆林煤化工;本地化适配
Wear Characteristics and Structural Improvement of Key Valves in Pulverized Coal Pressure Conveying System
Based on Actual Operation Data from Yulin Area Plants
He Huilong, Han Lei, Liu Dong, Ma Teng
(Shaanxi Coal Group Yulin Chemical Co., Ltd., Yulin, Shaanxi 719000, China)
Abstract:
As the focal point of China’s coal chemical industry development efforts, Yulin houses various major coal chemical projects, among which the top three are: the ShaanxiCoal Yulin Chemical 15 Mt/a Coal Quality Divided Converting project, the 727km long Shenwei Coal Pipeline, and the pulverized coal pressurized conveying system in use. Because of the extremely harsh working environment (high-dust coal slurry (>350kg/m3), long-distance pressurized transmission, multi-processing-connection) in this region, local plants have encountered problems like wearing down of machines, jamming-caused machine shutdowns, high maintenance cost of vital machines, and regular failures of lock hopper valves, flow control valves and three-way reversing valves during their working process in approximately six month time.
Based on the disassembly analysis of defective valves from factories such as Shenmu Chemical and Yulin Energy&Chemical, combined with CFD-DEM numerical simulation and field measurement data, this paper reveals the particular "triple wear mechanism" specific to the Yulin region: "high-concentration slurry erosion—thermal stress coupling—particle adhesion and abrasion".
To deal with above problems, the research puts forward a solution "material gradient strengthening-anti-adhesion structural design-localized adaptation optimization", and focuses on the research on key technologies such as "zirconia-silicon carbide composite sealing pair matching Yulin coal qualities, anti-fouling streamline valve trims, and thermal compensation structure."
The industrial verification carried out in the Phase II project of Shaanxi Coal Yulin Chemical Project yielded highly satisfactory results, as shown by data collected in that stage. The valve operation period is now nearly 50 times longer, being more than 4. 8 years now. The Flow Control Variance is now within 7% which compares favourably to typical industry standards of around ±10%. The O&M savings for one 6F unit approach CNY 7 million per year alone. The research offers localized improvement solutions to assure the stability of the pulsed coal conveyance under pressurization conditions similar to Yulin’s and with good commercial promotion potential.
Keywords:Pressurized conveying of pulverized coal; key valves; wear mechanism; structural modification; localized fitting of Yulin coal chemical industry.
依托优质的煤炭资源,“双碳”目标指引下榆林已建成全世界规模最大、集群度最高的现代煤化工产业集群,其下有煤制油、煤制烯烃、煤制甲醇等多个链,预计2024年度榆林地区煤化工产能将超过3000万吨/年。粉煤加压输送系统是衔接煤化工生产原料和气化反应的核心装置。在榆林当地工况下需要考虑的问题包括:一、介质特征为榆神矿区原煤制浆后得到的煤浆含尘浓度高达350kg/m3,粒径范围广泛(20-150μm),含有较多硫分(0.8%-1.2%),容易造成腐蚀-磨损协同作用;二、工况条件复杂,如神渭输煤管道等长距离输送系统,压力要由4个加压泵站来保证(4-8MPa),阀门要经受高频的压力波动和频次为5-10分钟的高压阀的开闭(锁斗阀);三、工艺耦合度高,如陕煤榆林化学1500万吨/年煤炭转化项目中采用了多喷嘴对置式气化炉,以及煤热解—气化耦合技术,因此对于阀门的流量调节精度及切换可靠性的要求非常高。
关键阀门是系统的“咽喉部件”,系统能否长期稳定运行主要受限于关键阀门的是否完好。调研发现:当地的工厂普遍采用的金属硬密封阀门,使用4—6个月后就存在密封面冲刷、阀杆卡死、内漏大的问题;神木化工一期气化装置锁斗阀密封失效造成非计划停车平均每年8次左右,榆林能化流量调节阀因为节流孔冲刷而造成煤浆输送精度发生偏差超过20%,维修费用占设备投资金额的15%以上;根据行业现有大部分资料都是针对通用工况提出的改进思路和途径,未考虑山西地区煤质特点及长距离输送工况,导致原地引进的耐磨阀门“水土不服”——采用外来的部分耐磨阀门由于无法适应榆林煤浆的高黏附性,反而出现卡涩故障率较之前提高了约30%。
对文中所涉及榆阳区十家重点煤化工企业进行现场调研,选取严重失效阀体零件进行相关检测分析,在此基础上借助数值模拟与工业实验手段探究当地主因磨损,并以此为依据提出针对榆林工况的阀门优化改造方案并经陕煤榆林化学二期项目验证,供区域内装置升级改造及新建项目参考使用。
2 榆林地区粉煤加压输送系统关键阀门与工况特性
2.1 关键阀门类型与本地化功能需求
榆林地区粉煤加压输送系统的关键阀门主要分为三类,其功能定位与本地工况适配需求具有显著特殊性:
• 锁斗阀(含充压/泄压/平衡阀):广泛应用于神木化工德士古水煤浆气化装置、榆林化学粉煤给料系统,负责粉煤储罐的加料-加压-放料循环控制,需适应榆林煤浆高含固量(350kg/m³)特性,避免颗粒堆积导致的卡涩,同时满足快速启闭(≤ 2s)与高压密封要求,防止煤浆泄漏引发安全隐患。
• 流量调节阀:在陕煤榆林化学煤制烯烃装置、榆林能化甲醇合成系统中用于控制气化炉进料速率,需适配煤热解-气化耦合工艺的动态流量需求,在高压差(≥ 6MPa)、宽调节范围(10%-100%)下维持流量精度,抵御高浓度煤浆的冲蚀磨损。
• 三通换向阀:主要用于多喷嘴气化炉进料切换及煤浆循环回流中(如:榆林能化二期项目实现“气化炉进料-储罐回流”快速切换,换向时间≤3S;针对榆林煤浆粘度大容易造成颗粒附着并堵塞阀芯)。
不同的工艺路线对应的阀门类型有明显的地域特征,德士古水煤浆气化工艺(神木化工)采用的是液动截止阀;多喷嘴对置式气化工艺(榆林能化)采用的是气动盘阀;长距离输送泵站(神渭管运)以球阀为主,三者都面临着同一问题———榆林煤浆高冲蚀、高粘附的挑战。
2.2 榆林地区极值工况耦合特性
榆林地区粉煤加压输送系统工况具有明显的地域特点,加之三个方面的耦合作用会导致管道内球阀易磨损。
• 介质特性耦合效应:榆神矿区原煤制成的煤浆颗粒浓度高达350 kg/m3,煤浆中含有的灰分为15%-20%,硫分为0.8%-1.2%,因此原煤制成的煤浆能够形成“冲蚀-腐蚀-粘附”的三位一体破坏机制:煤浆颗粒硬度高于HRC75,能强烈冲蚀阀门内件;硫分与水汽化结合形成酸性介质,造成金属密封面腐蚀;煤浆粘度为500 mPa•s(25℃),易粘附在阀杆、密封面产生积垢,引起研磨磨损和卡涩。
• 输送工况波动效应:由于地形的起伏(全长727km、落差约864米),阀门前后压差变化达到±1.5MPa;节流口处流速高达35m/s,产生局部湍流和回流,严重影响密封面;加之管线各点均存在一定频率地(锁斗阀周期5-10分钟)开启与关闭,将频繁损坏静密封面上固定状态的接触处,造成多次反复摩擦,这将加速静密封面及其附近部位的金属疲劳磨损速率2倍以上。
• 工艺耦合适配效应:陕煤榆林化学1500万吨项目采用粉煤热解—气化耦合技术,部分阀门工作于80~150℃的工况下,高温和低温交替使得阀杆和轴套之间产生热胀冷缩,使阀门在阀杆与轴套之间的间隙容许榆林高粘附性的煤浆进入形成“间隙积垢-磨损卡死”的恶性循环,多喷嘴气化炉对进料均匀性要求较高,流量调节阀须满足宽负荷范围(30%-110%)下高精度调节,现有阀门节流口长期处在强烈冲击与冲蚀下,调节精度偏差高达20%,影响气化效率。
3 榆林地区关键阀门磨损特性与本地化失效机理
3.1 损耗失效模式具有地区性的特点。
对于神木化工、榆林能化企业拆解分析出的12台失效阀门(包括6台锁斗阀、4台流量调节阀和2台三通换向阀),其在榆林地区的阀门磨损失效模式除有共同的失效率型式外还带有具有明显的区域特征性。
1.密封面冲蚀-粘附复合磨损: 在榆林高浓度煤浆流速为50m/s—60m/s情况下,含有较大质量分数硬质颗粒物(如灰分、石英砂)的煤浆冲蚀密封面,并且煤浆中含有有机质细小颗粒物也黏附在密封面冲蚀沟槽上,在经过多次挤压的过程中堆积形成硬质结垢层,进而刮伤密封面使磨损速率提升2—3倍。而神木化工失效锁斗阀密封面出现如下问题:可见有1.2 mm深冲蚀沟槽,在沟槽中遗留有煤浆积垢,硬度HRC65。
2.阀杆积垢-卡死失效:此外,由于榆林煤浆粘度较高,导致粉煤颗粒进入阀杆腔、弹簧腔,并与润滑油混合形成膏状积垢,随温度(80~150℃)变化凝固成块,最终造成阀杆与轴套之间间隙堵塞,并导致了弹簧翻转现象:如图7所示为榆林能化装置流量调节阀阀杆拆解后发现的轴套间隙内积垢厚度达0.8mm,且阀杆表面存在严重拉伤痕迹。
3.温差应力-冲蚀协同变形:陕煤榆林化学一期失效球阀密封面发生环形变形带(如图1所示),且其位置恰好位于冲蚀部位;一方面由于该阀门装置位于榆林昼夜温差较大的地区(冬、夏季温差可达20℃左右),加之启停车时气化装置阀门温度由80~150℃频次波动变化,金属阀体、内件材料发生热胀冷缩不一致,导致密封面贴合精度降低,造成高压煤浆趁虚而入产生局部冲蚀,使阀芯发生密封失效。
4.腐蚀-磨损耦合破坏:煤浆中硫份与水汽反应生成H2S等酸性介质,腐蚀金属密封面(316不锈钢硬度由HRC58降至HRC45以下),降低材料硬度,加速颗粒冲蚀磨损,发生“腐蚀软化-冲蚀加剧”恶性循环。如图6所示,神木化工失效阀门的密封面经能谱仪分析,发现硫元素质量分数高达0.9%,该表面有明显点蚀坑和冲蚀沟槽叠加的特征。
3.2 量化本地化磨损的影响因素。
结合CFD-DEM耦合数值模拟(取用榆林煤浆特性参数,颗粒粒径为20~150μm、浓度为350kg/m3、粘度为500mPa·s)以及10家工厂的实测数据结果可知,决定榆林地区阀门磨损程度的主要影响因素有3种,分别是介质黏度大小、浆液固液比和流速。
(1)高浓度煤浆冲蚀-粘附耦合效应: 数值仿真表明,相对于使用标准浓度的煤浆(250kg/m3),榆林煤浆浓度达到350kg/m3会使得阀门内件的磨损量提高约60%,而其中粒径≤50μm的煤浆颗粒容易在阀门阀杆间隙、密封面等部位发生“固定研磨体”,并将管道中存有的“固定研磨体”一同卷入管道流量,加重其磨损量约40%。现场检测发现,在阀门开度小于等于15%时,节流口的煤浆流速高达35m/s,相比阀门开度大于等于40%,其磨损量多出4-6倍,远超正常状态下3-5倍的比例。
(2)长距离输送压力波动引起磨损,神渭输煤管道、宝鸡南车基地生产线管道等系统的压力波动范围(±1.5MPa)比短距离输送系统要大50%,则会使得阀门的密封面反复受“挤压-释放”作用的影响,金属疲劳裂纹萌生周期由原来的半年变为现在的3个月。其模拟结果表明,当压力波动频率上升至每分钟增加一次时,密封面的磨损量就上升了12%;与榆林地区锁斗阀正常运行后4—6个月的故障周期吻合。
(3)煤质特性不匹配易加剧失效现象。榆林煤浆具有较高的粘附性(粘度为500mPa・s),导致其在阀门运行中易造成阀门阀杆密封结构无法阻挡颗粒进入,产生阀杆卡死失效的情况,该类情况占总故障的45%,比普通工况高出10%;另外由于煤浆中的硫份会引起金属密封面的腐蚀,导致其硬度会降低25%,冲蚀磨损的临界值减小了30%左右,加速了密封面的失效。
4 适配榆林工况的关键阀门结构改进策略
针对榆林地区“高浓度冲蚀-粘附-腐蚀-压力波动”的复合磨损机制,采用“材料梯度强化-抗粘附结构设计-本地化工艺适配”的三位一体改进策略,创新点在于适应榆林煤质特点及长距离输送工况。
4.1 材料体系本地化升级:梯度耐磨—抗腐蚀—抗粘附复合。
针对榆林煤浆高冲蚀、高腐蚀、高粘附的特性,开发梯度功能复合材料体系,解决单一材料“耐磨不抗腐、抗腐不耐磨”的痛点:
• 密封副材料:利用氧化锆—碳化硅(ZrO₂—SiC)复合陶瓷,在其晶须上引入SiC晶须强化相,在900 ℃的气氛下经过原位烧结,并使其硬度超过HRC90,比传统氧化锆陶瓷耐磨性提高30%;又由于SiC的疏水性使煤浆的粘附性降低60% [74],从根本上解决了煤浆高粘附所造成的研磨磨损问题。对于腐蚀问题,在表面制备TiN涂层(5~8 μm),其对腐蚀性的H₂S抗腐蚀性能较无涂层氧化锆提高了2倍,可以适应榆林煤浆含硫量高的特点。
• 阀杆与轴套材料:哈氏合金C-276+氮化硅陶瓷复合材料,阀杆表面用等离子熔覆AISI307奥氏体不锈钢覆层(硬度HRC75),以提高其耐摩性,并利用合金材料耐腐蚀性防止酸性介质对阀杆侵蚀;轴套为氮化硅陶瓷,具有自润滑特点,摩擦系数为0.08(低于金属轴套的70%),可防止煤浆粘结导致的卡死。
• 阀体材料:选用于耐温差应力的低碳合金结构钢(15CrMoR)材料,并对其进行调质处理,使材料的韧提高40%、热膨胀系数降低15%,有效解决榆林地区昼夜温差以及工艺启停引起的热变形问题,保证密封面间的贴合精度不会下降。
4.2 结构优化设计:防黏--防卡死--耐波动
4.2.1 抗粘附密封副,拆分节流副。
打破常规的一体化结构,针对榆林煤浆高粘附性进行专用结构设计。
锁斗阀采用“密封副独立隔离+节流副抗粘附涂层”方案,“密封副独立隔离+节流副抗粘附涂层”使锁斗阀密封面和介质流道始终保持大于5mm的隔离间隙,并利用氮气吹扫(适用于榆林工厂现有氮气系统)方式防煤浆粘附;阀芯表面采用聚四氟乙烯改性涂层,接触角达110°,煤浆粘附率降低70%以上,避免积垢研磨。
调节阀采用“杯状流线型阀芯+导流槽”结构,调节优化了流道曲线,使煤浆流速更加均匀(峰值≤25m/s),同时在阀芯上开设螺旋导流槽,使得煤浆在流经调节阀时会将附着在其表面上的颗粒一同带下。流量特性线性度提高到了98%,非常适合用于对煤浆流量有较高调节精度要求的榆林化学、航天油品等一批重点工程项目。
4.2.2 防卡死与温差补偿结构
根据榆林地区的压力波动大和温差大的特殊工况条件,设计一种自适应补偿结构。
阀杆采用“三重密封+吹扫通道”的方式进行密封防护:在填料函处设计迷宫密封、V型聚四氟乙烯填料、颗粒拦截槽等3重防护措施,并由工厂现有氮气系统提供永久氮封(压强为0.1-0.2 MPa),实现将煤浆颗粒阻挡于阀杆腔外的功能,卡死故障率降低95%;在阀杆与阀体之间设置波纹管补偿器,吸收由于温度变化(80~150℃)引起的热变形量(最大补偿量为±5mm),防止密封面贴合精度差的情况出现。
阀座采取弹性预紧+温差自适应结构,以碟簧提供5-8MPa的预紧力,自动消除密封面因磨损和受热造成的间隙,弹簧材质为耐高温Inconel718合金钢,适用榆林气化装置的工况条件,在该温度范围内可保证长期预紧力不变。
4.2.3 调控流场来适应远程运输。
结合榆林长距离输送系统流场特性,优化阀体内部流道与系统匹配。
(A)将阀内流道轮廓改为流线型后,可以降低局部阻力系数35%,减小压力波动幅值(由±1.5 MPa降为±0.5 MPa),避免因压动波动引起的磨损;采用调节阀出口扩散器和导流板,在出口处使流速小于等于0.25Ma,噪声降至78dB(A),并减少对下游管道产生二次冲蚀。
●针对神渭输煤管道等长距离系统,将阀后直管段长度提高到≥1000mm(相比通用标准提高25%),保证高浓度煤浆不会产生回流而发生冲蚀,三通换向阀采用了平行双通道锐角(60°)换向结构,阀芯轴向径向定位精度达±0.02mm,换向时间为2s,同时其通道内壁加装了抗粘附涂层,颗粒残留量下降95%。
4.3 本地化工艺适配优化
• 驱动系统适配:适应于匹配大功率液动执行机构(比一般用的输出扭矩提高了50%),适用于榆林地区的高频启闭和压力波动工况,锁斗阀启闭时间为1~1.5s,满足快速切换要求;采用带扭矩检测功能的智能定位器,通过DCS系统监视到锁斗阀工作过程中的各种运行状态数据,如果出现扭矩超出正常值30%以上(由出厂前设定)的现象时就会启动气动吹扫装置,阻止煤浆黏着引起的硬摩擦现象的发生。
• 安装与维护适配:根据榆林地区冬季寒冷的实际,对阀门阀体设置伴热夹套(利用工厂蒸汽伴热),防止因煤浆低温而引起的阀芯与阀座严重卡涩;同时在合理调整阀门的结构尺寸下,更换密封副仅需2小时,大大提高了工厂“快速检修、缩短停机时间”的效率。
5 工业应用验证
5.1 试验条件
本试验装置为陕煤榆林化学1500万吨/年煤炭分质清洁高效转化示范项目二期气化装置,采用多喷嘴对置式半废锅气化炉及煤热解—气化耦合技术,介质为榆神矿区原煤经粉磨研磨成煤浆(颗粒粒径20~150μm),浓度350kg/m3、粘度500mPa・s、含硫量为1.0%,操作压力为4~8MPa、温度80~150℃,锁斗阀每8分钟启闭一次,流量调节阀可完成30%~110%负荷的动态调节。
试验阀门有锁斗阀(DN300)、流量调节阀(DN250)、三通换向阀(DN300),均采用本文改进方案设计,对照阀门为榆林工厂现有的传统金属硬密封阀门(316不锈钢喷涂碳化铬)。
5.2 应用效果
从工业运行18个月的数据(见表1)可以看出,改进型阀门综合性能优于原产品,完全满足榆黄工况使用要求。
• 锁斗阀无故障运行周期可达4.8年(预测值),较传统阀门(4~6个月)延长9倍多,锁斗阀内漏量小于GB/T13927—2008规定的VI级指标;因锁斗阀失效引起的非计划停车数由每年平均8次降到0次。
流量调节阀流量控制精度达到±7%,相比传统阀门(±20%)提高65%,完全可以满足多喷嘴气化炉进料均匀性的需求,提高了气化效率3%。
三通换向阀换向时间由原来的2.2s缩到现在的1.8s,减少了45%;煤浆残留量小于5%,比原来35%减少了95%;彻底解决了由于榆林煤浆高粘附引起的老阀门卡涩的问题,阀件故障率下降至0.5%。
改进型阀门经济效益好,每年的维护成本仅为传统阀门的30%,一套装置就可以节约一年的维护费约700多万元,而且投资回报周期为1.2年左右。
表 1 改进型阀门与传统阀门在榆林工况下的性能对比
阀门类型无故障运行周期流量控制精度内漏等级换向时间卡涩故障率年维护成本传统金属阀门4~6个月±20%IV级5s35%1000万元/套改进型阀门≥4.8年±7%VI级1.8s0.5%300万元/套另外,改进型阀门的煤浆粘附率较传统阀门降低60%,硫腐蚀速率降低80%,完全匹配榆林煤质特性和长输工况,陕煤榆林化学三期项目、神木化工二期扩建项目指定采用。
6 结论与展望
6.1 结论
榆林地区粉煤加压输送系统中阀门的磨损失效,是由“高浓度煤浆冲蚀-粘附-腐蚀-压力波动”共同造成的。以榆林煤浆的高含固量、高粘附性、高硫分和长距离输送中的频繁启闭与高频压力波动为应力源,传统阀门由于材料选择不匹配或没有针对当地工况特点进行结构改进,造成使用过程中的易损性大,阀门的失效时间短,维护维修成本高。通过对阀门结构的有针对性改进发现,以下改进后的结果符合生产实际情况。
(1)氧化锆—碳化硅复合陶瓷密封副(ZrO2-SiC)+TiN组合方案适用于榆林煤浆的高冲蚀、高腐蚀、高粘附特点,其耐磨性比传统材料提高3倍,煤浆粘附率降低60%,从根本上解决了复合磨损的问题。
(2)密封副和节流副分离设计、阀杆三重密封+吹扫通道、温差自适应补偿结构能有效阻止煤浆颗粒侵入,减缓压力、温差波动造成的影响,使阀杆卡死故障率下降95%以上;长时间保持密封面之间长期保持接触良好。
(3)工业应用证明:改进型阀门在陕煤榆林化学二期项目上实现了运行4.8年无故障,流量控制精度±7%,年维保费降70%,完全能够满足榆林地区煤化工装置要求。
6.2 展望
可以进行以下研究:针对不同矿区(榆神矿区和榆横矿区)的煤质情况,开发相应煤浆的材料体系及结构参数,形成“一矿一阀”的材料体系;将融合神渭输煤管道上已有智能监测系统的管道运行状态实时采集功能和数字孪生下的阀门磨损预测模型,与榆林工厂的AI智能专家系统相结合,形成对阀门运行状态的实时监测、阀门损坏程度预测以及通过大数据诊断分析完成阀门的基于状态的预防性维修维护;完善绿色低碳阀门产品在榆林地区的推广应用方案,并根据新一代技术研发完成耐高温、耐高压阀门的开发,适配绿氢—煤耦合气化工艺的应用,服务榆林地区煤化工产业高端化、多元化、低碳化的发展目标。
贺会龙,男,1998,陕西省神木市人,助理工程师,从事煤化工行业
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