行业聚焦

现代煤化工领域对阀门产品材料、工艺、结构跟耐磨性上的技术要求

1. 材料要求

1.1 致密性、纯洁性与均质性

在现代煤化工领域,阀门产品所面临的工况极为复杂和苛刻。由于煤直接液化反应中油煤浆的存在,对阀门、管道等设备材料的磨损问题必须加以重视。因此,制造阀门的材料需要具备优越的致密性、纯洁性和均质性,尤其是对于厚或大断面的钢材,这些性能尤为重要。致密性高的材料能够减少内部缺陷,提高材料的强度和耐腐蚀性;纯洁性好的材料则能降低杂质含量,避免因杂质引发的腐蚀和磨损;均质性良好的材料确保了性能的一致性,使得阀门在不同部位都能均匀地承受压力和磨损。例如,一些高性能的合金材料,其致密性、纯洁性和均质性通过严格的冶炼和加工工艺得到保证,从而满足现代煤化工对阀门材料的高标准要求。

1.2 化学成分与力学性能

阀门材料的化学成分直接影响其力学性能和耐腐蚀性。在煤化工环境中,阀门需要具备满足设计规范要求的化学成分,以确保在室温和高温条件下都能保持良好的力学性能。通常,会选用奥氏体不锈钢等材料来抵抗高温硫化氢的腐蚀,但这也带来了不锈钢的氢脆、硫化物应力腐蚀开裂等问题。因此,材料的选择需要在抗腐蚀性和力学性能之间找到平衡。例如,某些特殊合金钢通过调整化学成分,能够在保持高强度和韧性的同时,提高对特定腐蚀介质的抵抗力。此外,材料的室温和高温力学性能也必须符合设计要求,以确保阀门在不同温度下的可靠性和安全性。在实际应用中,通过精确控制材料的化学成分,可以优化其微观结构,从而提高材料的屈服强度、抗拉强度和硬度等力学性能指标。

1.3 抗环境脆化性能

现代煤化工中的阀门经常处于高温高压氢气环境中,氢损伤是一个不容忽视的问题。在操作状态下,阀门内壁会吸收一定量的氢,如果在停工过程中冷却速度过快,吸附的氢来不及扩散出来,就会造成过饱和氢残留在器壁内。这可能在温度低于150℃时引起亚临界裂纹扩展,给阀门的安全使用带来严重威胁。因此,阀门材料需要具备良好的抗环境脆化性能,能够在苛刻环境下长期使用而不发生脆化。在制造过程中,需要注意控制材料中的δ铁素体含量,例如TP347材料中δ铁素体含量的控制,以避免在焊后最终热处理过程中发生过多的相变,从而产生脆性。通过精确的工艺控制和材料选择,可以有效提高阀门材料的抗环境脆化性能,确保阀门在煤化工环境中的可靠性和安全性。

2. 工艺要求

2.1 原材料质量控制

现代煤化工阀门的原材料质量控制至关重要。由于煤直接液化过程的特殊性,阀门材质的成分尤其是有害元素含量必须严格控制。例如,硫(S)、磷(P)、氧(O)、氮(N)及总碳当量等指标需符合明确的指标要求,这些要求通常高于材料的基本普通要求。据统计,原材料中硫含量每增加0.01%,阀门的腐蚀速率可能增加10%至20%。因此,铸造厂需严格筛选原料来源,确保所加工的原料不仅经过熔炼,还需进一步精炼,以保证铸件质量。此外,原材料的纯洁性也极为关键,微小的杂质颗粒可能会在高压环境下成为裂纹的源头,影响阀门的密封性和可靠性。

2.2 精炼与炉前控制

精炼过程是保证阀门材料质量的关键环节。在炉前,需对原材料进行严格的精炼,以去除杂质和有害元素。例如,通过真空精炼技术,可以有效降低材料中的氢含量,减少氢脆的风险。数据表明,经过真空精炼处理的材料,其氢含量可降低至0.001%以下,显著提高了材料的韧性和抗腐蚀性。同时,炉前控制也极为重要,需要精确控制熔炼温度、时间和气氛等参数,以确保材料的化学成分和性能均匀一致。例如,在奥氏体不锈钢的熔炼过程中,温度控制在1500℃至1550℃之间,可保证材料的晶粒细化和均匀化,提高材料的强度和韧性。

2.3 铸造工艺限制

现代煤化工阀门的铸造工艺受到严格限制。由于煤液化过程中的高温、高压和临氢特性,以及煤化工的腐蚀磨损工况,精密铸造工艺不适用于此类阀门的制造。精密铸造的铸件通常比较疏松,均匀性较差,无法满足临氢工况和高温高压工况的要求。因此,必须采用非精密铸造工艺,如砂铸或金属型铸造等,以确保铸件的致密度和均匀性。此外,铸造过程中的温控工艺也非常关键。不同的出炉温度、浇注温度、出模温度及热处理温度,都会敏感地影响产品质量。例如,浇注温度控制在1450℃至1500℃之间,可使产品内部组织晶粒细化,提高铸件的致密度和强度。同时,采用全自动油淬火生产线进行淬火、回火处理,可使铸件达到研磨材料基体不破碎、不失圆、耐磨系数高等特点,确保阀门在苛刻环境下的长期稳定运行。

3. 结构要求

3.1 避免煤浆结焦

在现代煤化工中,阀门结构设计必须考虑煤浆的特性,以防止煤浆结焦导致阀门失效。油煤浆在流通不畅或静止时,容易沉积并发生聚合反应,从而结焦。例如,在直接液化煤浆管道上使用的球阀,当关闭时,阀球内部的油煤浆无法排出,沉积在球腔内,就可能结焦抱死。据统计,因煤浆结焦导致的阀门故障占煤化工阀门故障的30%以上。因此,阀门的设计应避免煤浆在阀腔内长时间停留和沉积。一种解决方案是采用特殊设计的阀腔,如增加导流槽或设置搅拌装置,使煤浆在阀门关闭时能够顺利排出,减少结焦的可能性。此外,阀体材料的选择也应考虑其对煤浆的亲和性,选择不易使煤浆粘附的材料,如某些表面经过特殊处理的不锈钢材料,可以降低煤浆在阀体表面的沉积,进而减少结焦的风险。

3.2 便于清洗设计

为了确保阀门的长期稳定运行,阀门结构设计还应便于清洗。煤浆在阀门中的沉积不仅会导致结焦,还可能堵塞阀门的通道,影响阀门的启闭性能。因此,阀门的设计应考虑到清洗的便利性。例如,采用可拆卸的阀体结构,使得阀体内部可以方便地进行清洗和维护。一些阀门设计了专门的清洗口,可以通过高压水或清洗剂对阀腔进行冲洗,有效清除沉积的煤浆。此外,阀座和阀芯的设计也应便于拆卸和清洗,避免煤浆在这些关键部件上的沉积。例如,采用模块化的阀座设计,可以快速更换或清洗阀座,确保阀门的密封性能。据统计,便于清洗的阀门设计可以将阀门的维护周期延长20%至30%,显著提高了阀门的可靠性和经济性。

4. 耐磨性要求

4.1 金属硬密封与材质匹配

在现代煤化工领域,阀门所面临的磨损问题极为严峻,尤其是金属硬密封阀门。金属硬密封阀门的耐磨性主要取决于密封面的材质匹配。理想的材质匹配应确保密封面在高温、高压和腐蚀性环境中保持良好的密封性能和耐磨性。例如,碳化钨硬质合金是一种常用的密封面材料,其硬度高(可达80HRC以上),能够承受水煤浆、煤粉、硅粉等多相颗粒介质的高速冲刷。与之匹配的基体材料,如整体烧结碳化钨硬质合金,不仅提供了高强度和高硬度,还具有良好的抗氧化性和耐腐蚀性。这种材质组合在450℃的工况下,使用寿命可达12个月,远超过传统喷涂碳化钨涂层的阀门。此外,整体烧结碳化钨的线膨胀系数仅为常规钢材的1/3至1/2,有效避免了高温卡塞现象,保障了阀门在高温差工况下的优异动作性能。

4.2 高温启闭试验

高温启闭试验是评估阀门在高温环境下启闭性能的关键测试。在现代煤化工中,阀门经常需要在高温环境下操作,因此必须确保阀门在高温下能够灵活启闭,不会因热膨胀或材料性能变化而卡死。试验通常在模拟实际工况的高温环境中进行,例如在400℃至500℃的温度范围内,对阀门进行多次启闭操作,观察阀门的启闭力矩、密封性能和动作灵活性。数据表明,采用整体烧结碳化钨硬质合金的阀门在高温启闭试验中表现出色,其启闭力矩在高温下保持稳定,密封性能未出现明显下降,且动作灵活,无卡滞现象。相比之下,传统材料的阀门在高温下启闭力矩显著增加,密封性能下降,甚至出现卡死现象。因此,高温启闭试验对于确保阀门在现代煤化工中的可靠运行至关重要。

4.3 涂层技术与阀座设计

涂层技术在提高阀门耐磨性方面发挥着重要作用。在现代煤化工中,阀门的密封面和易损部件常常采用特殊的涂层技术,以增强其耐磨性和耐腐蚀性。例如,超音速火焰喷涂(HVOF)技术可以将耐磨粉末涂层材料以极高的速度喷涂到基体材料表面,形成高硬度、高结合力和高致密性的涂层。这种涂层的硬度可达74HRC以上,有效提高了阀门的抗擦伤性能和耐磨性能。此外,阀座设计也对阀门的耐磨性有重要影响。合理的阀座设计可以减少介质对密封面的冲击和磨损,提高阀门的使用寿命。例如,采用刮刀式阀座设计,可以在阀门开关过程中对球面进行刮刷,有效减少球面污物进入密封副,保证密封可靠。同时,阀座的密封等级要求为ANSI FCI 70-2 VI级,确保了阀门在高压和腐蚀性介质中的密封性能。通过结合先进的涂层技术和合理的阀座设计,现代煤化工阀门的耐磨性和可靠性得到了显著提升。

5. 总结

现代煤化工对阀门产品在材料、工艺、结构和耐磨性上提出了极为严格的技术要求。在材料方面,阀门需要具备优越的致密性、纯洁性和均质性,以应对油煤浆等介质的磨损问题;同时,化学成分和力学性能必须满足设计规范,确保在高温高压环境下的可靠性和安全性;此外,抗环境脆化性能也是关键,以防止氢损伤等潜在风险。工艺上,原材料的质量控制、精炼与炉前控制以及铸造工艺的选择至关重要,这些因素直接影响阀门铸件的质量和性能。结构设计上,阀门需避免煤浆结焦导致的失效,并便于清洗,以确保长期稳定运行。耐磨性方面,金属硬密封与材质匹配、高温启闭试验以及涂层技术与阀座设计等措施,有效提升了阀门在苛刻工况下的耐磨性和可靠性。这些综合技术要求,不仅保障了现代煤化工阀门在复杂工况下的高效运行,也推动了阀门制造技术的不断创新和发展。