溫智慧，張英英，張佳輝

（陜西航天泵閥科技集團有限公司， 陜西 西安 710200）

1 項目背景

煤漿管道輸送是除鐵路、公路、水路輸送煤炭的另一種重要輸送方式。我國東部工業(yè)發(fā)達，能源消耗大，但煤炭資源大多數(shù)在西部。為此我國有關(guān)部門正考慮建設(shè)長輸煤管道，解決煤炭的輸送問題。陜西作為產(chǎn)煤大省，尤其榆林地區(qū)為我國重要的產(chǎn)煤區(qū)，而煤炭的大量需求卻在關(guān)中地區(qū)，隨著2019年底陜西第一條神渭輸煤管道（主管道直徑600mm，公稱壓力900磅級）的建成，將從根本上解決陜北礦區(qū)優(yōu)質(zhì)氣化用煤供應(yīng)渭北精細化工園原料煤的運輸問題，從而打造煤—氣化—精細化工產(chǎn)業(yè)鏈，推動新型煤化工產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展。

全通徑水煤漿用高壓大口徑耐磨切斷球閥作為管道上重要的設(shè)備，須具有高耐磨、耐沖刷、防結(jié)垢、防結(jié)疤、變速切斷等功能。該類閥門在工作壓力下啟閉力矩大，一般安裝于野外閥室，常采用帶小功率電機的蓄能式電液驅(qū)動機構(gòu)，執(zhí)行機構(gòu)蓄能器至少能滿足閥門運行2個行程。

因此研究該類閥的結(jié)構(gòu)形式，選擇合適的耐磨材料，防止水煤漿在閥門腔體內(nèi)脫水沉淀并進行腔體清洗排渣，相關(guān)旋轉(zhuǎn)及密封部位能防水煤漿侵入，通過外輸液壓力減小閥座與球體摩擦力，降低啟閉力矩是本文討論的重點。

本文介紹了陜西神渭輸煤管道水煤漿用高壓大口徑耐磨切斷球閥及電液驅(qū)動機構(gòu)的設(shè)計和研究工作。

2 使用工況特點

（1）煤漿組分見表1。

表1

（2）環(huán)境條件：

環(huán)境極限溫度：最高溫度：45℃；最低溫度：-33℃；介質(zhì)溫度：5℃～25℃。

（3）閥門要求：公稱通徑：600mm；公稱壓力：900磅級；連接方式：焊接帶袖管；驅(qū)動方式：電液驅(qū)動（蓄能式）；開啟時間：90s（可調(diào)）。

3 主要設(shè)計難點

（1）閥門的主要材料選擇；（2）閥門及閥座結(jié)構(gòu)形式；（3）球體的支承方式；（4）高速煤漿顆粒對球體和閥座，閥門流道的沖刷，腐蝕；（5）閥座預(yù)緊彈性元件的防煤漿顆粒侵入設(shè)計；（6）球體滑動軸承處防煤漿顆粒設(shè)計；（7）防止球體與閥座密封間微小顆粒的沉積和粘結(jié)，清除密封面間雜質(zhì)清除功能；（8）啟閉過程閥座與球體間摩擦力矩的降低方法，延長密封面壽命；（9）腔體內(nèi)水煤漿沉淀、結(jié)疤以及腔體的清洗和排污；（10）液壓站設(shè)計及控制原理。

4 具體設(shè)計方案

（1）主體材料的選擇

根據(jù)環(huán)境溫度、煤漿顆粒、安裝位置，從經(jīng)濟合理性出發(fā)，中體及側(cè)體、球體及閥座可采用A105鍛件，球體及閥座密封面選用合適的耐磨處理和防腐方法。閥桿采用高強度鋼，在滿足扭矩情況下直徑盡量小。

（2）閥門采用三段式結(jié)構(gòu)，中體上下軸開孔處各補焊一加強體，能有效增強中體減薄處的強度，消除開孔處內(nèi)側(cè)應(yīng)力集中及承壓時影響密封的變形。在精加工前，中體采用退火的方法消除焊接應(yīng)力。

中體開孔處補焊結(jié)構(gòu)見圖1?？紤]到水煤漿為液固兩相，非危險介質(zhì)，DBB閥座結(jié)構(gòu)完全可滿足要求。

圖1 中體開孔處補焊結(jié)構(gòu)

（3）由于該閥口徑大，壓力高，在關(guān)閉時球體在流道方向受力為數(shù)百噸的力，由于上軸需要驅(qū)動球體轉(zhuǎn)動，則承受很大轉(zhuǎn)矩和彎曲的合成應(yīng)力，若閥桿強度不足，則可能引起球體中心的移動，進而影響閥門的密封性；而采用一個上支承套來承受球體在流道方向上的彎曲應(yīng)力，而上軸此時只需承受球體啟閉轉(zhuǎn)矩，閥門密封性影響取決于上支承套的強度，這樣閥桿的設(shè)計計算也可簡單。

該支承方案相對于直接通過上下軸直接支承球體結(jié)構(gòu)，優(yōu)點是閥桿只承受扭矩，閥桿直徑小。

（4）為保證球體涂層耐磨性及附著力，球體表面可重熔Ni60，球體流道、閥座密封面及內(nèi)表面HVOF，可噴涂STL合金。

（5）為防止閥座彈性元件煤漿顆粒侵入卡阻失效，需采用防顆粒設(shè)計，主要有三處特點：

(a)閥座導(dǎo)向處端部與側(cè)體間間隙小，深度淺，對應(yīng)側(cè)體流道處采用斜度設(shè)計，在介質(zhì)流動時，可將處于間隙中的顆粒沖走。

(b)由于閥座與閥體導(dǎo)向部分間隙很小，對微小顆粒有初步過濾作用。

(c)通過碟簧或別的彈性體壓住軟質(zhì)材料（不密封），再次過濾煤漿顆粒，而僅使介質(zhì)（水）通過，從而防止彈簧處堆積煤顆粒，使彈簧失效。

結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖2。

（6）為防止球體旋轉(zhuǎn)部分煤漿顆粒侵入擦傷滑動面，引起閥門力矩增大，進而影響閥門的密封性，采用了如圖3所示的設(shè)計：

圖3 球體滑動軸承處防煤漿顆粒設(shè)計

（7）閥座與球體接觸處雙刮刀設(shè)計，即先初級刮刀刮掉大顆粒煤漿，次級刮刀清潔閥座與球面間粘結(jié)小顆粒煤漿，保持密封面間密封性。

詳見（5）中《閥座彈性元件防煤漿顆粒設(shè)計》結(jié)構(gòu)圖。

（8）閥座處設(shè)計有平衡腔，在球閥開啟過程中，利用外界液壓力克服掉閥座壓在球面上的力，僅保留彈簧的預(yù)緊力，這樣就會大大減小閥座與球體的磨損，延長使用壽命。

詳見（5）中《閥座彈性元件防煤漿顆粒設(shè)計》結(jié)構(gòu)圖。

（9）閥腔內(nèi)置有沖洗噴頭，上部沖洗液進口連接水泵，下部帶有電動排污閥及管路，在閥處于關(guān)閉狀態(tài)可進行清洗內(nèi)腔，防止煤漿長期沉淀硬化。

（10）蓄能式液壓站，液壓缸差動式供油連接，液壓鎖互鎖，兩路閥座液壓平衡腔處供油管路。

5 設(shè)計主要組成

該閥主要由閥門本體部分、清洗及排污系統(tǒng)、液壓驅(qū)動組件、液壓平衡系統(tǒng)、蓄能式液壓站、智能控制箱等部分組成。

閥門本體主要由中體、球體、閥座、閥桿、側(cè)體及袖管以及其它零部件組成；清洗與排污主要由腔體內(nèi)置噴頭，清洗液輸入管路，腔體排污管路等組成；液壓驅(qū)動系統(tǒng)用來驅(qū)動閥門的啟閉，主要由液壓缸，搖臂，支承板以及各種位置檢測部件等組成。

圖4 水煤漿用高壓大口徑耐磨截斷球閥的主要組成

蓄能式液壓站用于提供閥門啟閉以及液壓平衡系統(tǒng)動力源；智能控制箱用于控制蓄能式液壓站工作，閥門的啟閉，清洗液進口壓力平衡閥及泵的工作，排污管路閥門的啟閉，接受遠傳控制信號等。

6 結(jié)語

針對神渭輸煤管道水煤漿輸送用大口徑（NPS24）、高壓力（900磅級）電液驅(qū)動耐磨切斷球閥，根據(jù)實際工況，從設(shè)計角度提出了具有針對性的解決思路，如結(jié)構(gòu)形式、耐磨面的處理、防煤漿顆粒設(shè)計方法、降低閥門啟閉過程中力矩、閥體內(nèi)腔沉淀物的清洗和排污處理方法等。

依據(jù)以上思路，我公司設(shè)計和生產(chǎn)的公稱通徑NPS24（DN600），公稱壓力900磅級（PN160），帶袖管的電液驅(qū)動球閥于2014年取得實用新型專利（專利號：ZL201420091487.4），2016年通過國家特種設(shè)備型式檢驗，目前已應(yīng)用于輸煤管路上。

◆參考文獻

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