白揮俠

（浙江石油化工有限公司 公用工程儀控部，浙江 舟山 316000）

0 引言

水煤漿氣化裝置以煤為原料，在高溫高壓下與氧氣（O2）進(jìn)行反應(yīng)生成合成氣，并送合成氣至變換、凈化裝置處理。某公司氣化裝置采用水煤漿工藝技術(shù)，主要產(chǎn)品為6.45MPa(G)、溫度243℃的合成氣。水煤漿加壓氣化工藝技術(shù)中有個工段叫閃蒸，即氣化爐、蒸發(fā)塔、洗滌塔等高壓黑水中溶解有大量的酸性氣體，當(dāng)黑水經(jīng)過角閥后進(jìn)入閃蒸罐等下一工藝裝置時，角閥閥后壓力突然降低，在一定溫度下黑水介質(zhì)大量汽化，導(dǎo)致酸性氣體逸出水面這個過程即閃蒸。

黑水角閥在該工段下發(fā)揮著重要作用，黑水調(diào)節(jié)閥長期工作在高壓、高溫、高腐蝕、高頻率動作，以及固、液、氣三相流介質(zhì)的高壓差沖刷等惡劣工況下，閥門及內(nèi)部件受到嚴(yán)重?fù)p害，導(dǎo)致閥內(nèi)件的使用壽命大大降低。國內(nèi)德士古水煤漿氣化技術(shù)引進(jìn)初期，高壓黑水角閥基本被進(jìn)口閥門廠商壟斷，比如福斯、梅索尼蘭、費(fèi)希爾等。隨著國內(nèi)現(xiàn)代新型煤化工產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，國內(nèi)閥門企業(yè)對黑水角閥的不斷研究和技術(shù)投入，在吸收國外經(jīng)驗的基礎(chǔ)上不斷改進(jìn)，形成了幾類國產(chǎn)高壓黑水角閥，其應(yīng)用效果也逐步實現(xiàn)了對國外品牌的超越。目前進(jìn)口品牌主要以福斯、梅索尼蘭、費(fèi)希爾等為主，國產(chǎn)像北航、武漢漢德等也都有較好的應(yīng)用。受進(jìn)口閥門備件周期、價格等多種因素影響，目前國內(nèi)的煤化工企業(yè)在黑水角閥的選型和使用上基本采用了國產(chǎn)品牌。

1 高壓黑水角閥工況

高壓黑水角閥主要安裝在氣化爐激冷室底部到高壓閃蒸罐和洗滌塔底部到高壓閃蒸罐的管道上，靠近高壓閃蒸罐，每個高壓閃蒸罐有4臺高壓黑水角閥，如圖1，即12"/16"兩臺（圖1位號：LV-021303A1/A 2），6"/8"兩臺（位號：FV-021304A1/A 2）。在該工況中，介質(zhì)主要為高溫黑水，黑水溫度可達(dá)到246℃～248℃左右，最大壓差可達(dá)到6.5 MPa，工況具有高壓差、強(qiáng)沖刷、強(qiáng)腐蝕，介質(zhì)具有固、液、氣三相流等特點(diǎn)，閥門使用環(huán)境極為惡劣[1]。黑水流過閥芯的速度高，導(dǎo)致閥內(nèi)件沖刷磨損嚴(yán)重，擴(kuò)散段也容易沖透。原使用原裝進(jìn)口品牌，后改為國產(chǎn)品牌效果較好，使用周期基本超過了原進(jìn)口產(chǎn)品。

圖1 黑水角閥結(jié)構(gòu)與布置圖Fig.1 Structure and layout of blackwater angle valve

2 高壓黑水角閥問題分析

某公司甲醇裝置投料生產(chǎn)，高壓黑水角閥運(yùn)行6～9個月后，陸續(xù)出現(xiàn)流量無法穩(wěn)定控制，離線檢查發(fā)現(xiàn)角閥閥芯、閥座沖刷磨損嚴(yán)重，擴(kuò)散段沖漏等情況，閥門調(diào)節(jié)性能下降，影響裝置運(yùn)行操作，如圖2、圖3。因此，閥芯、閥座和擴(kuò)散段是高壓黑水調(diào)節(jié)閥的薄弱環(huán)節(jié)。

圖2 閥芯沖刷前后對比Fig.2 Comparison of valve core before and after scouring

圖3 閥座和擴(kuò)散段沖刷情況Fig.3 Washout of valve seat and diffuser

2.1 閥芯失效

當(dāng)黑水流經(jīng)高壓黑水角閥時，根據(jù)經(jīng)典流體力學(xué)原理可知：黑水速度增大，壓力降低。當(dāng)壓力降低至黑水飽和蒸汽壓時會產(chǎn)生閃蒸，破裂的氣泡會不斷沖蝕閥芯表面形成腐蝕麻點(diǎn)，再夾帶上固體顆粒閥態(tài)會形成嚴(yán)重?fù)p壞，失效如圖2。同時，由于高速沖擊閥桿與閥芯連接處銷釘易出現(xiàn)松動，引起閥芯脫落。原因分析：閥門Cv值選型不當(dāng)。閥門設(shè)計選型中，如果Cv值選型過大，會導(dǎo)致閥門開度過小，會加速含固流體對閥內(nèi)件的磨損、沖蝕，導(dǎo)致閥門壽命大大縮短。開車期間因設(shè)計工況與實際有較大差距，閥門開度長期基本在15%以下，國產(chǎn)化后正常開度保持在20%以上。

2.2 閥座失效

閥座的失效主要還是由高壓黑水介質(zhì)的沖刷引起，在小開度下或堵塞的情況下特別是偏流會對下閥座造成嚴(yán)重沖刷，高壓下的腔內(nèi)部形成的漩渦流也會加劇閥芯的沖蝕磨損。原因分析：閥座的沖蝕在一定程度上與閥門的開度有很大關(guān)系。

2.3 擴(kuò)散段失效

由于該角閥前后壓差較大，且黑水中含有大量的固體顆粒，約240℃的高溫黑水出角閥后瞬間發(fā)生汽化，角閥擴(kuò)散段介質(zhì)流速瞬間增大，加劇了角閥擴(kuò)散段的磨損，嚴(yán)重時角閥筒體被黑水磨穿，如圖3。角閥筒體磨穿后，大量黑水外溢，外溢黑水不但影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行，還嚴(yán)重影響現(xiàn)場工作環(huán)境。

2.4 閥芯脫落

試生產(chǎn)階段由于設(shè)計與實際工況的偏差，前期閥門基本在小開度下運(yùn)行存在高頻振動[2]，加上閥桿與閥芯采用銷釘結(jié)構(gòu)，經(jīng)常遇到閥芯脫落的情況，后期經(jīng)過改造后再未發(fā)生閥芯脫落情況。

2.5 結(jié)垢和外漏等其它情況

另外，工藝介質(zhì)的成分原因會在閥門內(nèi)部形成結(jié)垢。一是在黑水角閥內(nèi)腔的結(jié)垢，從現(xiàn)場應(yīng)用過的幾種黑水角閥來比較，掃流型結(jié)構(gòu)的角閥在內(nèi)腔結(jié)垢方面要明顯優(yōu)于文丘里結(jié)構(gòu)；二是在閥桿上的結(jié)垢會造成閥門卡塞，并因此會拉傷填料而導(dǎo)致閥門外漏等問題。目前國內(nèi)已經(jīng)有黑水角閥企業(yè)攻克了這個問題，他們通過加裝“一種帶多層刮刀的閥門襯套”，形成了對閥桿污垢的及時和有效清理，較好地解決了這類問題。

3 高壓黑水角閥選型注意事項

3.1 開度要求

由于閥門CV值過大，開度變小，黑水流經(jīng)角閥處形成偏流，從而導(dǎo)致閃蒸，角閥閥芯、閥座出現(xiàn)局部沖刷磨損嚴(yán)重現(xiàn)象。閥門開度需要根據(jù)閥芯、閥座的沖刷持續(xù)優(yōu)化，在小開度條件下，高壓黑水角閥及下游管道系統(tǒng)的高磨損率區(qū)域主要集中在閥芯以及出口襯套，在緩沖罐底部及側(cè)壁并未發(fā)現(xiàn)明顯的磨損現(xiàn)象。其中，閥芯前端的磨損率最高，其最大值為襯套入口段的5倍[3]。合適的閥門開度能明顯降低閥芯與閥座交界處的最高流速，降低流速會減少顆粒的沖擊速度和材料的沖蝕磨損率，有助于閥芯頂端的沖蝕磨損率下降。同時，在小開度時還會導(dǎo)致閥桿的高頻振蕩，導(dǎo)致閥芯閥桿連接處的疲勞斷裂。根據(jù)相關(guān)企業(yè)的運(yùn)行經(jīng)驗，黑水調(diào)節(jié)閥的最小開度不應(yīng)小于20%，正常開度不應(yīng)小于40%[4]。

圖4 3種閥芯結(jié)構(gòu)Fig.4 Three valve core structures

3.2 閥芯結(jié)構(gòu)

閥芯結(jié)構(gòu)選擇也很關(guān)鍵，之前共采用了3種形式的結(jié)構(gòu)，重錘式、啞鈴式和T形式。在實際使用中重錘式易沖刷，啞鈴式容易造成卡塞。閥芯與閥桿的連接采用熱熔方式，保證閥桿和閥芯融為一體，避免采用銷釘結(jié)構(gòu)造成脫落。閥體內(nèi)腔應(yīng)采用大圓弧設(shè)計以避免滯留點(diǎn)和急轉(zhuǎn)彎[5]。閥桿采用加粗性設(shè)計，一方面可以減小閥桿的高頻振動，另一方面可以滿足大力矩執(zhí)行機(jī)構(gòu)的需要。

目前現(xiàn)場整個薄弱環(huán)節(jié)在擴(kuò)散段，擴(kuò)散段喉部容易造成沖漏，后期在改進(jìn)中稍微延長了下閥座的長度，效果還在驗證中。

3.3 材質(zhì)選擇

在材料選擇時要充分考慮閥門材料的耐腐蝕性，一般閥芯316+整體碳化鎢，上、下閥座為316+內(nèi)襯整體碳化鎢，擴(kuò)散段噴涂碳化鎢，上閥座、下閥座不建議采用噴涂形式。從近幾年的實際效果看，整體內(nèi)襯較為合適，不易沖刷，擴(kuò)散段采用噴涂碳化鎢形式，擴(kuò)散段由于空間的限制目前沒成大直筒形式，偶爾因為閥門有較大固體異物導(dǎo)致長期偏流，將下閥座、擴(kuò)散段法蘭中部等部位沖漏的情況。

4 高壓黑水角閥日常維護(hù)和持續(xù)改進(jìn)

高壓黑水角閥是影響氣化爐長周期運(yùn)行的關(guān)鍵閥門，需要制定良好的檢修策略和不斷地持續(xù)改進(jìn)，找到滿足工況的合適點(diǎn)。

4.1 做好預(yù)防性檢修

氣化爐倒?fàn)t停修期間，要對4臺角閥下線檢查，確保閥芯、閥座和擴(kuò)散段無損傷，有損傷的部件要及時更換。黑水管線工藝要清洗干凈，不能有較大固體顆粒形成堵塞，以免造成偏流沖刷閥內(nèi)件。日常應(yīng)儲備閥內(nèi)件備件，對檢查有損傷的內(nèi)件要及時更換。

4.2 優(yōu)化擴(kuò)散段和緩沖罐

目前，高壓黑水角閥在擴(kuò)散段和緩沖罐部分，因閥門優(yōu)化后沖刷點(diǎn)下移容易造成沖漏。針對擴(kuò)散段的局部磨蝕、沖刷，主要是因為閥門偏流造成。今后在閥門設(shè)計時，增加角閥入口處的腔體體積，降低閥門入口的流速，從而控制閥門出口的偏流，這個仍需改進(jìn)?，F(xiàn)階段擴(kuò)散段除了噴涂，基本沒有更好的解決辦法，只能定期更換，沖漏了通過堵漏的方式維持運(yùn)行，有的企業(yè)通過將擴(kuò)散段去掉，角閥出口直接連到緩沖罐，這個需要進(jìn)一步調(diào)研和技術(shù)論證。高壓黑水對緩沖罐主要是罐底的沖刷，現(xiàn)階段通過在緩沖罐底部堆焊棒條，增加底板厚度來解決磨損問題，有企業(yè)通過增大增高緩沖罐體積，得到了較好效果。

4.3 建立高壓黑水角閥流動腐蝕預(yù)測防控監(jiān)管平臺

根據(jù)高壓黑水角閥的進(jìn)出口壓差和閥內(nèi)流道結(jié)構(gòu)分析可知，介質(zhì)流動狀態(tài)為阻塞流。由于閥后壓力遠(yuǎn)低于介質(zhì)在246℃時的飽和蒸汽壓（3.73MPa），可以推斷：介質(zhì)在閥內(nèi)會發(fā)生閃蒸，導(dǎo)致流速急劇升高。固體顆粒在高速氣相介質(zhì)的驅(qū)動下，極易對閥內(nèi)件造成嚴(yán)重的沖蝕、磨損。因此，氣、液、固三相流介質(zhì)對閥門造成極大程度的沖蝕、磨損、破壞，是影響黑水角閥的使用壽命和裝置的安全、穩(wěn)定、長周期運(yùn)行的根本原因。所以，根據(jù)高壓黑水角閥的失效機(jī)理，建立針對性的防控監(jiān)管平臺，有效預(yù)測閥門運(yùn)行情況。

在高壓黑水角閥介質(zhì)閃蒸過程、沖蝕磨損研究及危害源分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合工藝過程的關(guān)聯(lián)分析、流動腐蝕數(shù)據(jù)庫建設(shè)，針對不同材料、操作工況及工藝過程，開展黑水角閥系統(tǒng)的防控體系研究[6]。通過對黑水角閥系統(tǒng)流動腐蝕的實時狀態(tài)監(jiān)測，建立材料防腐、設(shè)備防腐、工藝防腐，流動腐蝕預(yù)測防控等一系列技術(shù)創(chuàng)新與閉環(huán)管理，實現(xiàn)煤化工裝置長周期安全運(yùn)行。

高壓黑水角閥專家診斷監(jiān)管系統(tǒng)的整體思路如圖5。根據(jù)高壓黑水角閥的阻塞、磨損、氣蝕、化學(xué)腐蝕等流動腐蝕失效機(jī)理，提出針對性的失效防控參數(shù)。通過實時信號采集、二次信號采集和軟測量建模等技術(shù)手段，對上述參數(shù)進(jìn)行運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測。同時，設(shè)定失效防控參數(shù)的運(yùn)行范圍，實現(xiàn)超標(biāo)參數(shù)的預(yù)測報警，并給出防控措施，為現(xiàn)場工作人員提供優(yōu)化操作依據(jù)，指導(dǎo)高壓黑水角閥系統(tǒng)的安全穩(wěn)定長周期運(yùn)行。

圖5 專家診斷監(jiān)管系統(tǒng)的構(gòu)建思路Fig.5 Construction idea of expert diagnosis and supervision system

擬監(jiān)測的流動腐蝕參數(shù)群如圖6。系統(tǒng)擬根據(jù)流動腐蝕失效機(jī)理，結(jié)合裝置的DCS控制系統(tǒng)、LIMS化驗分析系統(tǒng)以及自主研發(fā)的故障診斷模型對高壓黑水角閥內(nèi)的壓力、流量、溫度、磨損率、磨損量等參數(shù)群進(jìn)行集中監(jiān)控，實時分析閥門的阻塞、磨損、氣蝕和化學(xué)腐蝕狀態(tài)。

圖6 擬監(jiān)控的流動腐蝕參數(shù)群Fig.6 Flow corrosion parameters to be monitored

高壓黑水角閥內(nèi)的狀態(tài)監(jiān)測參數(shù)、位置、來源見表1。

表1 閥門狀態(tài)監(jiān)測指標(biāo)Table 1 Valve status monitoring indicators

建立閥門開度-流量曲線，確定標(biāo)準(zhǔn)曲線以及流量正常波動的上限和下限，以及超出限制范圍的數(shù)值，如圖7。其中，標(biāo)準(zhǔn)曲線通過閥門流量試驗獲得。流量正常波動的上、下限依據(jù)數(shù)值仿真預(yù)測結(jié)果和現(xiàn)場操作經(jīng)驗共同確定。當(dāng)某個開度下的流量數(shù)值低于下限值時，認(rèn)為發(fā)生堵塞；當(dāng)流量數(shù)值高于上限值時，認(rèn)為發(fā)生磨損。由此，可以通過流量的變化直接判斷閥內(nèi)的磨損和堵塞狀態(tài)。

圖7 閥門流量-開度曲線Fig.7 Valve flow and opening curve

圖8為某固定開度下，高壓黑水角閥的流量的歷史監(jiān)控數(shù)據(jù)的示意圖。可知，通過黑水角閥專家診斷監(jiān)管系統(tǒng)，可以對某一段時間內(nèi)，在固定開度下的流量值歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)用和監(jiān)控。當(dāng)發(fā)現(xiàn)流量值高于超限的上限值時，進(jìn)行報警。提醒操作人員，此時高壓黑水角閥具有較高的磨損風(fēng)險。

圖8 某開度下對閥門流量的監(jiān)控Fig.8 Monitoring of valve flow at a certain opening

5 結(jié)束語

大型煤氣化裝置的黑水系統(tǒng)工藝復(fù)雜、運(yùn)行工況苛刻、介質(zhì)腐蝕性強(qiáng)，故影響高壓黑水角閥失效的因素很多，各企業(yè)實際工況、工藝布局和管道配置等也各有差別。因此，缺乏統(tǒng)一的解決方案，各家只能采取針對性的失效控制及預(yù)防措施難以從根本上解決煤氣化裝置黑水系統(tǒng)閥門及管件等的失效難題。國內(nèi)各大能源化工公司的煤氣化裝置中均存在黑水閥門及管件的相關(guān)問題，已嚴(yán)重影響到煤氣化系統(tǒng)的安全生產(chǎn)和長周期運(yùn)行。

高壓黑水角閥在選型上基本都有比較明確的方向，各家都有各自的特點(diǎn)，失效嚴(yán)重的部位也主要位于閥芯、閥座、擴(kuò)散管和緩沖罐區(qū)域，都存在顧此失彼的情況。因為重點(diǎn)保護(hù)角度的不同，失效的部件也會呈現(xiàn)不同，比如有的會考慮閥內(nèi)件更換成本高，就盡量避免閥內(nèi)件失效，失效部件盡量轉(zhuǎn)移至擴(kuò)散段或者緩沖罐底部等。上述失效具有明顯的局部性，需要結(jié)合材料特性、閥內(nèi)多相流動過程、介質(zhì)閃蒸過程、顆粒運(yùn)動及沖蝕磨損過程分析，分析其失效機(jī)理。從閥門材質(zhì)、結(jié)構(gòu)上不斷優(yōu)化和改進(jìn)，降低高壓黑水角閥閃蒸和沖刷風(fēng)險，延長其使用壽命。另外，配合高壓黑水角閥流動腐蝕預(yù)測防控監(jiān)管平臺工藝，要不斷調(diào)整操作模式，降低閥門泄漏的安全風(fēng)險，提高高壓黑水角閥預(yù)防性維修水平，確保裝置的安全穩(wěn)定運(yùn)行。