介紹了高溫?fù)胶祥y的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并針對(duì)目前高溫?fù)胶祥y實(shí)際操作使用中閥芯容易燒損、脫落等問題，從閥芯的結(jié)構(gòu)及材料入手提出了改進(jìn)措施。改進(jìn)后的碳化鎢硬質(zhì)合金閥芯使用壽命有了很大的提高，較改進(jìn)前閥芯使用壽命延長了3倍以上。

　　高溫?fù)胶祥y是石油化工尾氣、天然氣等過程氣脫硫過程中的環(huán)保專用設(shè)備。荊門煉化機(jī)械公司生產(chǎn)的高溫?fù)胶祥y上安裝在硫磺回收裝置燃燒爐的出口管線上，其作用是控制熱流混合氣體的流量，用來調(diào)節(jié)熱流和冷流混合氣體的摻合量，并使其處于最佳溫度范圍時(shí)進(jìn)入轉(zhuǎn)化器轉(zhuǎn)化。

1、工藝參數(shù)及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

　　(1)工藝參數(shù)。操作介質(zhì)：H2S、SO2、CO2、H2O，空氣等混合氣體。操作溫度：冷流～150℃，熱流1200～1400℃，混合流260℃。操作壓力(表)：0.025～0.035MPa。

　　(2)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。閥體主體為20號(hào)無縫鋼管和Q235-B鋼板的組合件(根據(jù)介質(zhì)及操作條件的不同，閥體部分也有用不銹鋼閥體)，其下部熱流入口是用TA-218耐磨襯里做成的耐磨套，隔熱襯里為含鋯陶纖澆注料，澆注在閥體和TA-218耐磨套之間。閥座圈材質(zhì)為ZG1Cr25Ni20Si2，閥座圈焊接在閥體殼體上。下閥桿材料為1Cr25Ni20Si2。閥桿填料箱設(shè)置蒸汽夾套保溫，以避免含硫氣體冷凝后對(duì)閥桿產(chǎn)生露點(diǎn)腐蝕。

　　高溫?fù)胶祥y(見圖1)的下法蘭同燃燒爐的出口法蘭直接相連，熱流從閥門的下部進(jìn)入熱流通道，閥芯在閥桿的帶動(dòng)下，上下移動(dòng)，控制閥座的開口面積，以達(dá)到調(diào)節(jié)熱流流量的目的。熱流和冷流在閥體內(nèi)形成混合氣，通過調(diào)節(jié)熱流流量的大小，使混合流的溫度達(dá)到最佳溫度范圍。閥體上端配有帶閥門定位器的氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，可接受4～20mA的調(diào)節(jié)信號(hào)，進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。

圖1 高溫?fù)胶祥y示意

1—閥體　2—填料箱　3—執(zhí)行機(jī)構(gòu)　4—上閥桿　5—下閥桿　6—閥芯　7—閥座圈　8—耐磨襯套

　　(3)高溫?fù)胶祥y在使用中出現(xiàn)的問題。早期由于硫磺回收裝置的規(guī)模小，處理量小，燃燒爐的溫度在小于1200℃，閥芯材質(zhì)為1Cr25Ni20Si2，閥門很少出現(xiàn)問題。后來隨著回收裝置規(guī)模的擴(kuò)大處理量增加，導(dǎo)致燃燒爐的溫度隨之升高，現(xiàn)已達(dá)到1400℃，最高時(shí)可達(dá)約1600℃。高溫?fù)胶祥y在使用過程中也隨之出現(xiàn)故障：閥芯被熔化;閥芯和閥桿之間的連接脫落導(dǎo)致閥門無法正常調(diào)節(jié);閥門在全關(guān)時(shí)達(dá)不到關(guān)閉的要求等。經(jīng)過調(diào)查研究后認(rèn)為，由于現(xiàn)役硫磺回收裝置的處理量加大，導(dǎo)致燃燒爐內(nèi)的溫度及熱流出口溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于早期的溫度，而且遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過閥芯材料的正常使用溫度(1150℃)，熱流出口的高溫氣流直接作用在閥芯上，閥芯在約1400℃高溫、酸性介質(zhì)腐蝕及高溫氣流沖刷的共同作用下，很快就被燒損甚至熔毀報(bào)廢，致使高溫?fù)胶祥y無法正常使用，這也成為裝置安全長周期運(yùn)行的一個(gè)重大隱患。

2、高溫?fù)胶祥y閥芯的改進(jìn)

2.1、方案Ⅰ/1Cr25Ni20Si2閥芯表面噴氧化鋯

　　在原1Cr25Ni20Si2拋物線型閥芯(見圖2)表面噴一層氧化鋯。氧化鋯是一種很好的高溫耐磨陶瓷材料，具有強(qiáng)度高、硬度高和韌性佳，空氣中穩(wěn)定使用最高溫度可達(dá)1800℃。我們?cè)�在中石化荊門分公司硫磺回收裝置上進(jìn)行試驗(yàn)，在高溫?fù)胶祥y投用約4個(gè)月后出現(xiàn)了氧化鋯剝落和閥芯被熔化的現(xiàn)象。通過分析其原因主要是：1Cr25Ni20Si2和氧化鋯之間的熱膨脹系數(shù)不一致，閥芯基體膨脹量大，可引起表面材料開裂，加之閥芯基體和表面材料之間結(jié)合不緊密而導(dǎo)致表面氧化鋯層剝落，氧化鋯層剝落的閥芯直接作用在高溫氣流之下，最終被熔毀。

圖2 1Cr25Ni20Si2拋物線型閥芯

2.2、方案Ⅱ/1Cr25Ni20Si2加TA-218閥芯

　　1Cr25Ni20Si2+(TA-218)閥芯目前使用最為廣泛，閥芯基體采用1Cr25Ni20Si2材質(zhì)，閥芯表面襯有20mm厚TA-218耐磨襯里，該襯里和閥芯之間用掛片連接與固定。掛片為半圓環(huán)型或拋物線型，沖有舌形孔，數(shù)量為6～8件。掛片材質(zhì)為1Cr25Ni20Si2，掛片與閥芯之間焊接連接。攪拌好的襯里材料通過搗打，壓實(shí)，使之緊密地固定在閥芯表面，經(jīng)襯里養(yǎng)生及烘烤后使用。

　　TA-218作為在高溫下具有強(qiáng)度好、硬度高、耐腐蝕，最高使用溫度可達(dá)1600℃。其參數(shù)指標(biāo)見表1。

表1 TA-218性能參數(shù)

　　1Cr25Ni20Si2+(TA-218)閥芯有拋物線型[見圖3(a)]和半球型[見圖3(b)]兩種結(jié)構(gòu)。拋物線型結(jié)構(gòu)的閥芯調(diào)節(jié)性能好，但高度方向尺寸較大，閥門在實(shí)際使用過程中，閥芯始終處于高溫區(qū)域，工況較為惡劣，其使用壽命受影響;半球型結(jié)構(gòu)的閥芯調(diào)節(jié)性能相對(duì)較差，但高度方向尺寸較小，在閥門的全開狀態(tài)下，能使閥芯遠(yuǎn)離高溫氣流區(qū)域，處于冷流中，避免了閥芯長期處于高溫氣流區(qū)，對(duì)延長閥芯使用壽命有積極作用。

圖3 兩種閥芯

1—閥芯基體　2—襯里材料

　　綜合考慮閥門的調(diào)節(jié)性能和閥芯的使用壽命等因素，我們以高溫?fù)胶祥y熱流口徑的大小作為高溫?fù)胶祥y閥芯結(jié)構(gòu)的選型依據(jù)，一般情況下，熱流口徑大于等于Φ100時(shí)選用半球型結(jié)構(gòu)，熱流口徑小于Φ100時(shí)選用拋物線型結(jié)構(gòu)。

　　TA-218耐磨襯里在高溫下體積收縮，1Cr25Ni20Si2閥芯基體高溫下產(chǎn)生膨脹，由于膨脹量的差異，閥芯在使用一段時(shí)間后，掛片與閥芯焊接處容易脫焊，致使閥芯耐磨襯里層脫落，導(dǎo)致閥門無法正常調(diào)節(jié)，嚴(yán)重時(shí)脫落的耐磨襯里會(huì)堵住熱流出口，導(dǎo)致裝置無法滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)甚至停工。

　　1Cr25Ni20Si2+(TA-218)閥芯的正常使用壽命約6～8個(gè)月，雖然較方案Ⅰ有了一定的提高，但仍然無法滿足裝置長周期安全運(yùn)行的需要。

2.3 、方案Ⅲ/碳化鎢硬質(zhì)合金閥芯

　　硬質(zhì)合金是由難熔金屬的硬質(zhì)化合物和粘結(jié)金屬通過粉末冶金工藝制成的一種合金材料。硬質(zhì)合金具有硬度高、耐磨、耐熱、耐腐蝕、強(qiáng)度和韌性較好等一系列優(yōu)良性能，特別是它的高硬度和耐磨性，即使在500℃的溫度下也基本保持不變，在1000℃時(shí)仍有很高的硬度。目前常用的硬質(zhì)合金分兩大類：一類是鎢鈷系，它是以碳化鎢為基，用鈷作粘結(jié)劑，經(jīng)壓制、燒結(jié)而成的，我國的牌號(hào)用“YG”表示;另一類是鎢鈦鈷系(用“YT”表示)和鎢鈦錫鈷系(用“YW”表示)，鎢鈦鈷系列以碳化鎢、碳化鈦為基體，鎢鈦錫鈷系列以碳化鎢、碳化鈦和碳化鈮為基體。鎢鈦鈷系和鎢鈦錫鈷系均用鈷作粘結(jié)劑，經(jīng)壓制、燒結(jié)而成。

　　高溫?fù)胶祥y閥芯選用鎢鈷系硬質(zhì)合金，牌號(hào)為YG8，它除了具有很高的硬度和強(qiáng)度外，還有較好的韌性及耐腐蝕性，適合于制作機(jī)械加工用刀具，冷擠壓模具材料、機(jī)械設(shè)備及腐蝕環(huán)境中的耐磨零件如泵的密封環(huán)、閥門的閥座、鈾承套等。

　　YG8硬質(zhì)合金碳化鎢含量92%，鈷作為粘接劑含量為8%，其性能參數(shù)見表2。

表2 YG8性能參數(shù)

　　YG8硬質(zhì)合金閥芯以碳化鎢為基，用鈷作粘結(jié)劑，經(jīng)壓制、燒結(jié)而成的，其加工制造工藝：粉末制造→摻膠制粒→模具壓制成型→半成品加工→脫膠→燒結(jié)成型(1500℃真空燒結(jié))→成品加工。

　　早期試制的碳化鎢硬質(zhì)合金閥芯采用拋物線型結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)性能好，但外形結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，制造加工較為困難。由于碳化鎢硬質(zhì)合金加工工藝的局限性，拋物線型碳化鎢硬質(zhì)合金閥芯在制造時(shí)廢品率較高，廢品率超過50%，致使碳化鎢硬質(zhì)合金閥芯的制造成本很高。為了保證閥門使用性能的同時(shí)盡可能的降低成本，我們通過深入的分析研究并經(jīng)過多次試驗(yàn)，最終將高溫?fù)胶祥y閥芯設(shè)計(jì)成圓錐型結(jié)構(gòu)(見圖4)，即閥芯外形為圓錐形，圓錐錐角α為30°～60°，閥芯內(nèi)部為空心結(jié)構(gòu)，以減輕閥芯重量。圓錐型結(jié)構(gòu)閥芯具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)。圓錐型結(jié)構(gòu)芯外形為圓錐形，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于加工制造，加工制造時(shí)成品率可控制在95%以上，極大地降低了閥芯的制造成本;與拋物線型結(jié)構(gòu)閥芯相比，圓錐型結(jié)構(gòu)閥芯體積小、重量輕，同一規(guī)格閥芯圓錐型結(jié)構(gòu)要比拋物線型結(jié)構(gòu)輕10%～20%。相對(duì)于拋物線型閥芯來講，圓錐型閥芯調(diào)節(jié)性能略差，但完全能滿足高溫?fù)胶祥y生產(chǎn)調(diào)節(jié)的需要。在設(shè)計(jì)閥芯時(shí)根據(jù)高溫?fù)胶祥y的熱流口徑及閥門行程來確定閥芯圓錐錐角的大小。熱流口徑越小，閥芯圓錐錐角越小;閥門行程越大，閥芯圓錐錐角越小。

圖4 碳化鎢硬質(zhì)合金閥芯

　　碳化鎢硬質(zhì)合金閥芯單件制造成本較高，其制造成本約為1Cr25Ni20Si2+(TA-218)閥芯2～2.5倍，但碳化鎢硬質(zhì)合金閥芯的使用壽命長，是1Cr25Ni20Si2+(TA-218)閥芯的3倍以上。在確保裝置安全長周期運(yùn)行的前提下，碳化鎢硬質(zhì)合金閥的性價(jià)比最好。目前，碳化鎢硬質(zhì)合金閥芯已在中石化及地方煉油廠共計(jì)十余套裝置上投用，投用最長時(shí)間已連續(xù)運(yùn)行超過26個(gè)月。

　　綜上所述，第Ⅲ套方案的調(diào)節(jié)性能較好，使用壽命長，在生產(chǎn)裝置中得以采用。