| 中國石化齊魯分公司第二化肥廠 Texaco 煤氣化裝置 （簡稱齊魯煤氣化） 采用水煤漿為氣化原料，在壓力 6．5 MPa、溫度 1 350～1 450 ℃的條件下，使水煤漿和氧氣進行氧化還原反應產生煤氣。煤氣經過激冷水浴、洗滌、除塵制成水蒸氣飽和的合成氣送出， 而煤中部分未燃盡的碳和不可燃的灰分在高溫下形成熔渣，經水冷卻和破渣機破碎，通過鎖斗定期排入渣池； 氣化爐及洗滌塔產生的黑水經調節閥減壓到 0．8 MPa 后進入高壓閃蒸系統罐內閃蒸，以便于回收灰水和熱量。
高壓黑水調節閥是 Texaco 煤氣化裝置必不可少的關鍵設備， 主要應用于氣化流程中的閃蒸和水循環系統，對于在高壓差（最大 5．3 MPa）工況下且腐蝕性很強的氣、液、固三相介質流進行流量和壓力控制。
2001 年以前，國內尚沒有類似的成熟產品，該類產品及備件一直被國外公司壟斷； 加之由于運行工況極度惡劣，導致其使用壽命比較短，維修頻繁且成本高，給裝置的安全生產帶來很大的隱患。因此， 有必要針對高壓黑水調節閥在使用過程中常見的故障進行分析研究并加以改進， 延長其使用壽命， 提升 Texaco 煤化工裝置的長周期經濟運行水平。
1 高壓黑水調節閥的結構特點
Texaco 煤氣化爐及洗滌塔產生的黑水（壓力5．51 MPa、溫度 240 ℃）溶解有大量的酸性氣體，經過黑水調節閥減壓后送入高壓閃蒸罐（設定壓力0．8 MPa），由于其閥后壓力突然大幅降低，各組分在氣相中的分壓迅速降低，黑水大量汽化，溶解在水中的酸性氣體逸出水面。 氣液兩相在分離器中分開， 氣相為頂部產物， 其中易揮發組分較為富集； 液相為底部產物， 其中的難揮發組分獲得增濃。
齊魯煤氣化高壓黑水調節閥采用 Masoneilan 73000 系列 SWEEP 長彎頸角式閥門， 并在閥座出口配有文丘里擴散段。 此系列閥門是 Masoneilan公司專門為黑水、 灰水介質等含固體雜質的控制而設計， 可有效防止固體介質在閥內的淤積。其中， 閥體材質選用 ASTM A351 Gr－CF3M 不銹鋼；閥桿材質選用 316L 表面噴焊碳化鎢硬質合金，保證了閥桿與介質接觸部分的抗沖蝕能力；閥芯、閥座以及出口流道選用實體碳化鎢材料， 可有效地防止介質的沖蝕；閥座與文丘里擴散段為整體式，閥頭和閥桿連為一體，閥門維修、備件更換簡便；導向套和較大直徑的閥桿設計，對閥芯穩定性、調節性及運動性都起決定作用， 能有效解決在閃蒸工況時的閥桿高頻振動、噪聲問題，還可滿足相應較大的執行機構推力要求。此外，為了避免高壓黑水對高壓閃蒸罐的沖擊， 在高壓黑水調節閥后設置角閥筒體， 用以減緩高壓黑水及閃蒸氣對高壓閃蒸罐的沖擊。
2 高壓黑水調節閥的使用情況
2．1 運行工況及參數
Texaco 煤氣化黑水閃蒸系統工藝介質是來自氣化爐及洗滌塔產生的黑水， 介質流中固體懸浮物和濁度較高， 且含有 Ca2＋、Mg2＋、Cl－、S2－、CO32－、 NH4＋等多種離子，流經黑水調節閥時會對閥體及閥內件產生沖刷腐蝕；加之調節閥前后壓差較大，高溫黑水減壓后瞬間會發生汽化，流速急劇增大，更加劇了對閥體、閥內件以及相關附件的沖蝕磨損。表 1 為齊魯煤氣化黑水閃蒸系統運行工藝參數。
2．2 使用狀況
齊魯煤氣化裝置 2008 年 10 月開車以來，高壓黑水調節閥故障頻發， 平均使用壽命不足 3 個月， 且多次發生因調節閥失效導致黑水閃蒸系統臨時停車處理情況， 嚴重制約煤氣化裝置的穩定運行；黑水調節閥及其相關附件的泄漏，造成大量黑水外溢，影響煤氣化裝置的現場工作環境。其失效模式主要表現為閥頭及閥座沖蝕嚴重， 導致調節閥功能下降；閥頭與閥桿脫落、斷裂，導致使用性能失效；閥座擴散段抗沖蝕能力差，導致閥體、角閥下游筒體、 三通以及筒體底蓋沖蝕泄漏等狀況。
3 黑水調節閥失效機理分析
3．1 氣蝕和閃蒸破壞
當高溫含固黑水通過調節閥節流口時， 液體的壓力低于當時液體溫度下相應的飽和壓力，而且閥門后的出口壓力仍然低于相應的飽和壓力，所以液體通過調節閥節流口后， 部分液體即發生汽化，產生兩相流，汽泡有時合并、破裂和產生蒸汽，形成閃蒸。氣蝕和閃蒸過程中由于氣泡破裂會產生極大的沖擊力損傷調節閥的閥內件、 閥體和管線的下游部分，給調節閥和管道的內表面造成沖蝕，同時也降低了調節閥的流通能力， 尤其在高壓差的情況下，極高硬度的閥芯、閥座也只能使用很短的時間；另外，氣蝕和閃蒸還會帶來閥芯的振動，這種振動包括垂直振動和水平振動， 分別來自流體的垂直撞擊和水平撞擊，造成機械磨損和破壞，調節閥控制不可靠，閥桿折斷。
3．2 沖刷腐蝕
沖刷磨損腐蝕是金屬表面與腐蝕流體之間由于高速相對運動而引起的金屬損壞現象， 是煤氣化裝置黑水、 灰水存在氣液固三相介質流的循環系統中最普遍的一種腐蝕機理［2］。因此，材料的抗沖蝕性能、介質流固相懸浮顆粒物的硬度、形狀大小及數量等都是影響沖蝕行為的主要因素。
3．3 閥內件材料的影響
調節閥的閥芯閥座以及文丘里擴散段等內件是受氣蝕或閃蒸破壞最嚴重的部位， 調節閥在高壓差、強腐蝕以及高含固顆粒介質下工作，金屬與金屬之間的“間隙流動”的沖蝕作用不可避免。因此，選用具有堅實的和均勻的細晶粒結構、變形能大、抗拉強度和硬度均很高、加工硬化性能好、疲勞極限和抗腐蝕疲勞極限強度均很高的特性材料，可以大大提高調節閥的使用壽命。
3．4 調節閥開度的影響
在選擇調節閥時，要選擇合適的額定 Cv（調節閥額定流量系數） 值， 以保證調節閥正常開度在60％～80％。若開度太小，控制系統的調節質量會降低，并且會產生閥內的較高阻力降，導致空穴現象或閃蒸；若開度太大，當負荷增大時，無法進行調節。一般要求最小工況下閥門開度不應小于 10％，最大工況下閥門開度不超過 90％， 否則會導致閥門可控性下降。尤其是在小開度情況下，節流間隙小， 高流速的含固流體對閥內件的沖蝕破壞最為嚴重。因此，高壓黑水調節閥應盡量避免小開度工作；再好的閥門，若長期處于小開度工作，其壽命也將成倍減小。
3．5 調節閥內件結構的影響
高壓黑水調節閥閥芯與閥桿的連接采用閥桿嵌入閥芯內部，銷入固定銷釘并焊接的結構方式。這種連接方式因閥桿嵌入部分較細且存在銷孔，導致其強度大幅減弱， 加之含固流體氣蝕和閃蒸對閥芯的振動沖擊和沖刷腐蝕， 造成了閥芯脫落或閥桿斷裂的發生。
4 改進措施
4．1 提高閥內件材料的抗沖蝕性能
分析和測試了齊魯煤氣化裝置使用后的高壓黑水調節閥閥芯、閥座，主要成分是碳化鎢（約占92％）和鈷（約占 8％），密度約為 12．7 kg ／ cm2，硬度（HRC）約為 60。同比國內牌號相當于 YG 硬質合金系列，該種碳化鎢材料耐沖刷能力一般，但韌性較好。要提高其耐沖刷能力，就要相應提高硬度，提高硬度的途徑： 減少合金中鈷的含量和提高模壓過程中的液壓機壓力。 但減小鈷含量對碳化鎢的韌性是致命的， 必須采用其他辦法來解決碳化鎢的韌性問題， 經多次試驗最終采用適量減少合金中的鈷含量，對碳化鎢粉末進行篩選，將當量直徑控制在 10 μm 以下， 提高在模壓過程中分子間結合力，提高碳化鎢零件的整體力學性能［3］。
由此性能改良的碳化鎢材料整體燒結成型的閥芯、閥座（帶文丘里擴散段）硬度不小于 89，且韌性沒有明顯降低， 具有一定的抗沖擊性能和良好的抗腐蝕性能。
4．2 改進閥芯形面及連接方式
通過對齊魯煤氣化裝置高壓黑水調節閥閥芯形面數據復測， 確定進口 Masoneilan 高壓黑水角閥的流量特性為線性關系； 按照其運行數據重新計算， 其實際流量特性曲線介于線性和等百分比之間，且在小開度范圍內偏差較大。由于含固流體調節閥的流量特性曲線為線性最優， 所以通過改進閥芯形面修正其小開度下線性流量特性（圖 1），降低氣蝕和閃蒸的發生， 提高調節閥運行的穩定性，減輕流體變化對閥芯的沖擊。
針對調節閥閥桿與閥芯連接處極易產生疲勞斷裂及脫落的問題，實施連接結構方式改進，增強連接強度，提高抵抗振動干擾和耐沖蝕能力。改變閥芯結構，閥桿與閥芯連接處加粗，以增大閥芯與閥桿的接觸面積，提高結合力和抗沖蝕能力；閥芯與閥桿采取螺紋連接加銷釘的結構， 即將閥芯擰入閥桿后用電火花或激光打出銷孔， 銷入銷釘后同閥桿焊接，提高連接強度，使閥芯脫落和斷裂的問題得以徹底解決（圖 2）。
4．3 增大調節閥的開度
重新核算黑水調節閥流通量， 調整其額定 Cv值，使調節閥正常工作在合理開度范圍內。以齊魯煤氣化進口 Masoneilan 黑水調節閥為例， 其額定Cv 值為 54， 調節閥正常開度維持在 25％左右，處于小開度狀態；調節閥在此工況下運行，會加劇調節閥的氣蝕，加快含固流體介質對閥芯、閥座的沖蝕磨損，也不利于調節閥的穩定運行；從調節閥的控制性能上考慮 ， 希望正常工作開度在 50％～80％，便于操作的平穩性。因此，按照黑水調節閥的正常工作參數和運行工況， 流量特性曲線由線性特性改為拋物線特性， 這樣通過計算重新確定額定 Cv 值為 25，閥座直徑為 32，調節閥的開度范圍為 49％～74％，正常開度為 60％。實際運行證明，有效地避免調節閥開度過小對其壽命的影響。
4．4 優化文丘里閥座結構
高壓黑水調節閥閥座文丘里擴散段關鍵結構尺寸的控制， 可以有效地降低空化造成的氣蝕破壞，盡可能使空化發生在擴散段內，降低下游管件因空化而產生氣蝕的安全隱患；另外，通過增加文丘里擴散段材料的厚度，提高其抗沖蝕的時間，達到長周期運行的效果。 基于 GB ／ T 2624．3—2006 ／ISO 5167－3：2003 標準文丘里噴嘴的結構特點，對進口黑水調節閥的文丘里閥座結構進行優化（圖3）。按照重新計算的額定 Cv 值選取閥座直徑 d，喉徑長度 m 約 0．7～0．75 d；閥座弧形入口最大直徑 D接近閥體入口通徑；擴散角∠β 控制在 7°～8°。由于文丘里擴散段內出口流體仍然處于恢復區， 其實際長度 L 應不小于其出口直徑等于入口弧形最大直徑 D 時擴散段長度的 65％， 而不致引起裝置壓力損失的明顯變化； 閥座在擴散段上增加實體碳化鎢厚度，由原來的 2 mm 增加到 6 mm，以增強抵抗氣蝕磨損的能力，延長其使用壽命。
4．5 改善工藝運行條件
1） 嚴格控制煤質，選擇低灰熔點、低灰分原料煤。煤的灰熔點高，導致氣化爐提溫操作，造成黑水系統溫度升高， 加劇黑水調節閥閃蒸和氣蝕的發生；灰分含量高，也相應造成黑水系統灰渣顆粒含量增加，加劇了對調節閥各部件的沖刷腐蝕。
2） 維持氣化系統穩定運行。 加強氣化爐和洗滌塔的工藝操作，杜絕工藝調整大幅波動，減少氣化爐開停車次數。 氣化爐開停車容易造成黑水系統不穩定流體的產生， 對黑水調節閥形成強烈振蕩和沖擊，并且閥門調節頻繁，加劇調節閥破壞。
3） 加強對黑水調節閥的運行維護管理。 氣化系統開停車時盡可能維持在較大開度， 防止因開度過小造成閥前堵塞及閥體局部因流速過大而磨損；備用調節閥要及時清理干凈，防止閥體內積渣堵塞和結垢的發生。
5 結束語
延長煤氣化黑水調節閥的使用壽命是煤氣化裝置長周期穩定運行的保證， 也是煤氣化設備綜合管理水平的體現。 通過對齊魯煤氣化高壓黑水調節閥的失效原因分析， 找到了影響其使用壽命的關鍵因素并加以改進， 其平均使用壽命由 3 個月提升到 6 個月以上， 解決了制約煤氣化裝置運行的瓶頸。
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