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煤化工行业用金属密封球阀的选型及应用
煤化工行业用金属密封球阀的选型及应用
浙江摩根阀门有限公司技术提供
摘要 介 了在煤制油工 程中金属密封耐磨球 的 型和市 需求及 用 域，分析了
金属密封浮 球球 和固定球球 的 构特性和 型及 用。
关键词 煤化工; 金属密封球阀; 耐磨阀门; 浮动球; 固定球; 热喷涂
Abstract: Introduces the selection and market demands as well as application fields of metal seal wear
－ resisting ball valve in the process of coal to oil production，analyses the structure characteristics，se-lection and application for metal seal floating ball valve and fixed ball valve．
Key words: coal chemical; metal seal; ball valve; wear valve; floating ball; fixed ball; thermal spray
1 煤化工用金属密封球阀概述
煤化工是将煤通过热加工和催化加工转化为各种燃料和化工产品的过程。煤化工及煤制油项目首先要进行煤气化，在高温下将煤、焦炭等固体燃料与气化剂反应，转化为气体产物和残渣。煤气化所用的气化剂主要为蒸汽、高压高纯度氧气及其混合气体，气化反应包括了一系列均相与非均相化学反应。所得气体产物因所用原料煤质、气化剂的种类和气化过程不同而具有不同的组成，可分为煤气、半水煤气及水煤气等。在煤化工产业的煤制油、煤制烯烃及大型煤化成套系统中，金属密封耐磨球阀作为一种耐磨损的管路系统截断及流量控制的部件得到了极为广泛的应用。
2 煤制油工艺过程
煤制油工艺是以煤炭为原料，通过化学加工方法将固态的煤转化合成为液态的石油燃料产品，其工艺可分为直接液化和间接液化。
2. 1 直接液化
直接液化是先将煤炭磨成煤粉与溶剂配制成油煤浆，然后在高温、高压下将煤中复杂的有机高分子结构直接转换为较低分子液体燃料。在精制后制得优质的油品，其工艺过程见图 1。直接液化油回收率高，可达 63% ～ 68% ，煤消耗量小，生产液化油，需消耗洗精煤约 2. 4t。馏分油以汽、柴油为主，目标产品的选择性相对较高。油煤浆进料，设备体积小，投资和运行费用低。 直接液化的反应条件相对较苛刻。
温度要求过高，液化压力为 17. 0 ～ 30. 0MPa，温度为 430 ～ 470℃ 。出液化反应器的产物组成较复杂，液、固两相混合物由于粘度较高，分离相对困难。氢耗量大，一般在 6% ～ 10% 。
2. 2 间接液化
间接液化是将煤炭在高温下气化，转化为合成气 ( CO 和 H2 ) ，再经过费－ 托合成可制得优质燃料 ( 汽油、柴油和航空燃料) 和化工原料。合成条件较温和，反应压力 2. 0 ～ 3. 0MPa，反应温度低于 350℃ 。转化率高，如 SASOL 公司 SAS 工艺采用熔铁催化剂，合成气的一次通过转化率达到 60% 。
由于煤基间接液化反应物均为气相，所以其工艺设备体积庞大，投资和运行费用高。间接液化全部需要依赖于煤的气化，其煤耗量大且合成副产物
较多，目标产品的选择性相对较低。
3 阀门特性要求
3. 1 工况条件
煤制油、油改煤及煤气化等煤化工系统处于介质 ( 煤渣) 高硬度、高压力及高温度的工况，阀门应具有耐磨、耐冲刷、防结垢、防结疤及快速切断等 功 能。阀 门 口 径 大 ( 一 般 为 DN300 ～ DN450) 、启闭频繁且速度快 ( 30min 动作一次，5～ 10s / 次) ，要求阀门密封性能好，可靠性高。目前，特级耐磨球阀已广泛用于德士古炉煤化工和煤制油行业，其介质水煤浆中包含 58% ～ 67% 的煤粉固体。黑水系统及灰浆系统中含有大量渣浆等特硬固体颗粒，在阀门腔体内沉积、堵塞或结垢，难于清除 ( 表 1) 。
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表 1 煤化工用阀门特殊要求 |
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特殊要求 |
阀门性能 |
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使用温度 |
≤550℃ |
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阀座密封等级 |
ANSI /FCI 70 － 2 的 ClassⅤ级 /API 598 |
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启闭动作 |
5 ～ 10s / 次( 气动装置) |
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阀门强度 |
高强度轴承及高性能的执行机构 |
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磨损度 |
具有很强的耐磨性，采用球面和阀座喷涂 WC，涂层厚度为 0. 2 ～ 0. 4mm，硬度为 65 ～ 70HRC |
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密封性 |
球体和阀座都进行表面硬化处理，密封结构采用弹簧加力阀座，使阀座向球体移动，高精度加工技术确保密封等级 |
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腐蚀性 |
满足 ANSI /FCI 70 － 2 的 ClassⅤ级 /API 598 密封试验标准 |
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酸性 |
阀体材料采用奥氏体不锈钢、双相不锈钢、英康乃尔合金，具有很强的耐腐蚀性 |
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其他 |
材料符合 NACE MR-0103 及 NACE MR-0175 要求。与介质接触的零部件禁用铜材。仪表及附件防护等级达到 IP65 ～ |
68，防爆等级达到 ExdⅡCT4
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3. 2 |
阀门材料 |
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Inconel625 ( Hastelloy C － 276) 。Class2 500 |
的高温 |
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Class600～ 1 |
500 的常温 ( － 29 ～ 200℃ ) 耐磨 |
( 300 ～ 510℃ ) |
耐磨球阀阀体材料为 A182 |
F22 或 |
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球阀，阀体材料为 ASTM A105 碳钢锻制球阀，其 |
A182 F347 不锈钢锻钢，球体选用 Inconel718。阀 |
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球体选用 ASTM A182 F304。对于有强腐蚀工况 |
杆采用沉淀硬化不锈钢 17 － 4PH |
( 表 2) 或 A638 |
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时，阀体材料可采用奥氏体不锈钢、双相不锈钢、 |
－ 660。 |
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表 2 |
17 － 4PH 沉淀硬化不锈钢和不锈钢常温力学性能比较 |
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钢种 |
屈服强度 /MPa |
抗拉强度 /MPa |
延伸率 /% |
断面收缩率 /% |
硬度 /HRC |
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17 － 4PH |
≥1 207 |
≥1 310 |
≥14 |
≥54 |
≥42 |
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F304 |
≥205 |
≥515 |
≥40 |
≥60 |
≤187 |
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CF8 |
≥205 |
≥485 |
≥35 |
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F316 |
≥205 |
≥515 |
≥40 |
≥60 |
≤187 |
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CF8M |
≥205 |
≥485 |
≥30 |
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3. 3 |
工艺技术 |
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或阀座堆焊 STL12# ( D812) 硬质合金，大规模生 |
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金属密封耐磨球阀结构适用于输送黑水、渣水 |
产时，应采用数控研磨中心对球体和阀座实行高精 |
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及水煤浆等含固体颗粒的介质，阀门的球体和阀座 |
度的研磨。阀杆有防止固体颗粒进入填料函的金属 |
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用超音速喷涂 ( HVOF) JK117 { ( WC ) /17Co } |
和填料双密封结构。阀座弹簧具有防止灰渣堵塞结 |
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ClassⅤ级。
4 球阀性能分析
4. 1 浮动球 ( MOGAS 产品)
美国 MOGAS 双金属阀座浮动球球阀，为介质出口端金属密封，阀杆带轴肩防飞出结构，阀座设计为刮刀式。阀门具有自泄压功能，符合抗静电及防火要求，依据 NACE MR － 0103 进行防腐处理，并按需要配置阀门齿轮箱 ( 图2) 。
64HRC 以上，厚度不小于 0. 3mm。球体与阀座手工配对研磨，密封检验完全满足 API 598 标准要求。阀座锋利的边缘可对球体自刮擦自清洁，防止介质
进入球体与阀座的密封面而造成内漏和卡塞现象。
( 7) 碟簧 选用碟形结构弹簧，材料为 In-conel718。碟簧的主要作用是为阀座和球体施加一个预紧力，保证球体与阀座紧密结合。当球体、阀
座受到热胀发生位移时可有效回缩，防止球体与阀座发生卡塞现象。碟簧后阀座腔倒角处理 ( 角度经流体动力学计算) ，使固体颗粒不易堆积在阀座后面而影响阀座的有效退让 ( 图 3) 。
1. 阀杆 2. 阀杆导向环 3. 阀杆密封轴承 4. 填料防护环
5. 复合填料 6. 执行器固装支架 7. 填料压盖
8. 阀杆上的 “T”标志 9. 刻线
图 2 MOGAS 耐磨球阀阀杆填料结构
( 1) 通径 采用 ANSI B16. 34 标准规定。
( 2) 压力等级 阀门的压力等级符合订货规格及工艺管路等级要求，阀体压力等级不低于法兰等级。
( 3) 连接形式 球阀过程连接为法兰连接或对焊连接，法兰标准依据 ANSI B16. 5，采用 RF
法兰连接。对焊连接端部标准依据 ANSI B16. 25。
( 4) 结构长度 采用 ANSI B16. 10 标准确定
阀的结构长度。
( 5) 阀体、阀盖 均选用锻件 ASTM A105、 ASTM A82 F22、A182 F347，对于需要防硫化氢的阀门按照 NACE 要求进行热处理。
( 6) 球体、阀座 球体为不锈钢 410SS，表面高速氧火焰喷涂碳化铬合金 ( 涂层耐温 815℃ ) ，硬度 64HRC 以上，厚度不小于 0. 3mm。阀座为
Inconel 718 合金，同样采用喷涂碳化铬合金硬化处理。表面高速氧火焰喷涂碳化铬合金再熔融处理 ( 耐温 815℃ ) ，涂层耐磨不易脱落。球面硬度
1. 球体 2. 阀座 3. 弹簧
图 3 耐磨球球体与阀座结构
( 8) 阀杆 阀杆材料选用 17 － 4PH 或 A638 － 660。阀杆设计为双密封并有轴肩防飞出结构，带弹簧预紧的填料压盖结构。阀杆设置有金属密封轴承和填料双重密封
图 4 MOGAS 耐磨球阀填料及填料压盖结构
( 9 ) 填料 由 3 个模压成型组合纯石墨环 ( Chesterton 5300) 和 2 个有 Inconel 合金丝编织成的石墨抗挤压环 ( Chesterton 1601) 组成，能承受
970℃ 的高温。填料压盖带有预载碟簧，填料压盖可持续压紧填料不致发生外漏现象。
( 10) 泄漏等级 切断阀的阀瓣和阀座采用金属密封的双向密封形式。金属密封轴承表面硬化处理后手工配对研磨，为压力密封设计，压力越大，密封越紧，可防止固体颗粒进入填料函。泄漏等级
符合 API 598 标准要求。
4. 2 固定球 ( HARTMANN 产品)
德国 HARTMANN 高压固定球球球阀为金属双向密封，全通径，双流向，3 片分体式结构。密
煤制油工艺过程中同时存在气 － 液 － 固三相混合物介质，对阀门提出高温、高压、耐磨、耐腐蚀、耐冲刷、抗热循坏和零泄漏等要求。作为全通径、大流量、低流阻、开关方便等优点的金属密封耐磨球阀将获得快速发展，将逐步从低压、常温到高压、高温，促进了球阀应用范围的扩大和发展。浮动球与固定球耐磨球阀各有特点，各种选型原则只是在一般情况下的应用原则。随着阀门生产技术的发展，浮动球球阀将可用于高压力工况，固定球球阀也可以用于含固体颗粒介质工况。高温高压金
属密封耐磨球阀在煤化工产业的煤制油、煤制烯烃及大型煤化成套系统中的推广应用，可替代进口的同类产品，提升我国高温高压耐磨球阀的技术水平，有效降低企业的设备采购成本。
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