一、前言

壳牌（Shell）气化技术由于能效高，煤种适应性广，一直广受市场青睐，随着近年来国内多家壳牌（SCGP）煤气化装置单次连续开车超过200天甚至超过300天，S C G P再次成为国内许多化工企业的煤气化技术的热门首选。然而，随着系统长周期运行的常态化，系统如煤锁斗、渣锁斗以及灰锁斗阀门等关键阀门的无故障运行再次成为焦点问题。渣锁斗阀门由于水煤浆气化技术的广泛应用已基本解决，但是煤锁斗和灰锁斗阀门由于存在超细粉尘等问题，解决相对技术难度大，尤其是灰锁斗阀中所输送飞灰颗粒大小在20～50μm，阀门故障更是频发。

二、介质特性和故障现象

1.飞灰介质特点

应用在SCGP系统中的煤锁斗和灰锁斗工段均存在超细粉尘颗粒，尤其灰锁斗工段更为显著。Shell的飞灰随着合成气从气化装置中排出进入到飞灰系统，系统设计每3h运行一次，收集飞灰10t左右，飞灰具有以下特性：1）硬度高，但密度很低。

2）温度高（340℃左右），介质粒度很细，颗粒为20～50μm。

3）低温流动性差，长时间滞留或受潮易结块硬化。

2.阀门主要故障现象

壳牌气化U1500单元系统（见图1），飞灰单元的球阀故障主要表现为开关卡涩和密封泄漏两种状况。其中泄漏可能是开关卡涩造成的，另外也可能是因为密封面损坏或者阀座损坏引起的，本文主要讨论阀门开关卡涩形成的机理提出解决方案。

图1  Shell U1500单元系统简图

1.飞灰过滤器 2.飞灰锁斗  3.飞灰气体冷却管 4.飞灰储存罐

三、阀门故障现象及原因分析

前面介绍到飞灰的颗粒直径很小在20～50μm，而且极易粘连，飞灰将在阀门的中腔、轴承腔、轴套腔以及弹性元件腔堆积最终结块（见图2），致使阀门开关时的摩擦力增大，导致阀门卡涩、开关不到位甚至无法开关的故障。

图2  飞灰结块

具体现象如下：

（1）阀门中腔物料堆积 

原因分析：SCGP系统中产生的飞灰具有类似于水泥的特性，流动性差。介质在阀门中腔逐步堆积的过程中受潮会发生结块硬化。

1）随着堆积物料的增加，球体与阀体之间的装配初始间隙逐渐被飞灰填满。将球体包裹在里面，阀门在开启和关闭的过程中堆积的物料与球体接触总表面成几何倍数增加，导致阀门开关的扭矩增加。

2）飞灰属于超细粉尘进入到球体和阀座密封面之间后也使球体和阀座之间的滑动摩擦因数增大，进一步增加了阀门开关的总扭矩。

（2）阀杆轴套腔、止推垫腔物料堆积在颗粒性介质的工况中，阀门一般都具有防尘结构。图3为在壳牌飞灰工段的某品牌切断阀。阀杆下方增设了一道编制成形的盘根，此种结构在煤浆和煤渣等大颗粒介质中应用良好，然而在飞灰这类超细粉尘工况中使用效果较差，物料进入到轴套和止推垫腔。

图3  切断阀

1.轴承 2.轴套 3.阀体 4.阀杆 5.防尘圈

原因分析：如图3所示下部防尘圈用于阻挡阀门中腔飞灰介质进入到轴套和止推垫腔。轴套用于定位阀杆，止推垫减小阀杆突台与填料函之间的摩擦力防止啃咬。阀杆下部的防尘圈与阀门中腔直接相通，防尘圈有一定压缩量，但是不能过大，过大将无法安装。起初安装时防尘圈能起到一定的密封，能够起到一定的阻挡作用，而随着阀门开关次数的增加，阀体与防尘圈之间不断地摩擦，软质材料的防尘圈受到磨损，而防尘圈没有自动补偿的功能，致使阀杆与防尘圈之间的间隙越来越大，当间隙大于飞灰颗粒直径时，防尘圈将不具有挡尘功能。当防尘圈失效后，飞灰在管道压力的带动下通过防尘圈与阀体之间的间隙进入到其内部（见图3箭头方向代表飞灰进入方向）。轴套的作用是定位阀杆和增加耐磨性。阀杆随着阀门的开关做往复旋转运动，这就必须保证阀杆与轴套配合面之间具有一定的间隙。配合公差一般在0.1～0.2mm。而飞灰颗粒介质直径一般在20～50μm（0.02～0.05m m）。随着防尘圈的失效，飞灰通过防尘圈很容易进入到轴套与防的配合间隙中。并逐步堆积受潮结块，且飞灰介质硬度高黏附在阀杆或轴套表面的飞灰好比一层砂纸，增加了旋转的摩擦因数，导致阀杆扭矩上升。止推垫位于阀杆突台与填料函之间，止推垫采用工程塑料，放置于阀杆与填料函之间。止推垫在管道压力的推动下，与填料函底部紧紧相贴。止推垫与填料函还有以及阀杆组装后三者之间的间隙为一固定值，同样当防尘圈失效后飞灰将会进入，由于无法排出，只会越积越多，增加滑动摩擦因数同样造成阀门开关的扭矩上升。

（3） 弹 性 元 件 腔 物 料 堆积球阀密封预紧力一般采用线圈弹簧和板簧及碟簧几类，而在易结垢堆积介质中使用的球阀采用将弹性元件保护起来的结构，防止物料堆积造成弹性元件失效。具体实施措施如下：将阀座尾部加长，在其上设置挡尘凹槽，内置编制而成的挡尘圈。此种结构（见图4～图6）在阻挡大颗粒介质效果良好。而在飞灰工段依旧无法完全阻挡飞灰。介质进入到弹性元件腔中。

图4  碟簧的挡尘结构

图5  线圈弹簧的挡尘结构

图6  I处局部放大图

原因分析：此种结构，挡尘圈安装在阀座尾部凹槽内，图6中可以看出，阀座与阀体配合面之间有一定的间隙δ，挡尘圈安装后，其外圆与阀体内孔相接触，为了保证挡尘效果，挡尘圈随阀座一起装入阀体时会预留一定的压缩量，般在5%～10%。压缩过大会导致阀座憋在阀体内，活动灵活性差。挡尘圈是采用柔性石墨和不同纤维按照一定比例编制而成，具有一定的弹性。而其表面凸凹不平。在安装初期，挡尘圈的设置可以将阀座外圆和阀体内圆之间的间隙填补（设计初期考虑到零件加工误差以及便于安装，配合公差在0.2～0.3mm），挡尘圈通过压缩变形安装，由于挡尘圈自身的结构特点，即便是在压缩变形的情况下，微观上挡尘圈并不能像纯柔性石墨一样完全阻挡飞灰的进入。阀体与挡尘圈之间还存在一定间隙δ,一般在0.05mm左右，而飞灰颗粒也在0.02～0.05mm。类似飞灰的超细粉尘颗粒仍能够在压力的带动下进入到弹性元件腔，飞灰能够顺利进入而不能顺利排出，势必会将整个弹性元件腔体堆满使弹性元件失去补偿作用，导致阀座产生偏移憋劲，致使阀座与球体的中心不正导致出现泄漏和扭矩增大现象。

四、优化方案

针对以上球阀在飞灰类超细粉尘颗粒介质中出现的故障，通过不断的优化结构和不断现场认证证明，针对超细分成颗粒介质工况中球阀结构进行以下改进和设计，以下将逐一进行分析说明。

1.解决介质中腔堆积问题

采取措施：设计吹扫装置（见图7），定期进行吹扫。

图7  吹扫装置

实施方案：根据球阀的结构特点，吹扫装置对称安装两个，每一个吹扫负责一半，DCS系统程序安排定期开启和关闭，高压吹扫氮气通过吹扫口对A和B口阀门腔体进行吹扫，确保在阀门开关过程中将堆积在中腔的物料沿着箭头方向吹出，阀门的吹扫频率根据每天的开关次数和物料性质决定。吹扫口A和B的定期吹扫，将堆积在阀腔内部的物料带走，保证球体外圆与阀体之间有一定的间隙，从而保证球体旋转的摩擦力。

2.  解决轴套止推垫腔介质进入问题

（1）采取措施放置自密封结构的挡尘圈（见图8～图10）。

（2）优化方案：

1）高温工况（见图8）：在轴套下部位置，放置组合自密封挡尘圈。挡尘圈分为上下两部分，上层为挡尘圈，下层为高弹垫圈。上层挡尘圈为两个带角度的柔性石墨环，下层为增强高弹盘根。初始安装时下层高弹盘根具有很大的压缩率和回弹率，而上层带角度的挡尘圈在安装初始预紧力，可分解为竖直向上的力和水平方向的力致使两个挡尘圈会各自沿着接触斜面向阀杆和阀体运动起到密封，从而达到阻挡颗粒介质的作用。阀门在系统中使用时阀门内腔必定有压力，因此，管道压力所提供的压力和增强高弹盘根自身的回弹力能够补偿挡尘圈在阀杆旋转时的磨损量，有效阻挡细小粉尘进入。延长了阀门的使用寿命。

图8  高温工况

2） 常 温 工 况 （ 见 图9、 图10）：放置的挡尘圈，结构为为一整圈的线形弹簧，其内部和外侧均包裹有橡胶，形状成长方形或正方形，由于橡胶和弹簧均为弹性原件，安装时使其变形，确保阀杆与挡尘圈之间的密封，而弹簧直处在被压状态下，提供了持续的回弹力。也同样保证了持久的防尘作用。

图9  常温工况

图10  局部放大图

1.高弹盘根 2.挡尘圈 3.弹簧 4.橡胶

3.解决弹性元件堆积问题

（1）采取措施增加泄灰槽（见图11）。

图11  增加泄灰槽

（2）优化方案

该工况阀门预紧力采用碟簧结构，在碟簧和阀体之间增加了泄灰槽。阀门中流动的介质在通过阀门时，进入到碟簧和泄灰槽间的空隙部位；由于底面高于泄灰槽的最高面，所以进入到弹簧腔的物料在堆积到一定量的情况下会在重力和压力的合力带动下流动，在阀门每一次的开关过程中排除，从而避免物料堆积在碟簧位置。避免了因弹性元件失效导致的阀门卡涩或密封泄漏等影响阀门性能。最后，选择驱动装置时，安全系数应在2.0左右，即使在使用过程中扭矩增大，依旧能够进行正常开关，确保系统的安全运行。

五、结语

通过对现场超细粉尘颗粒工况阀门常出现的损坏情况和原因分析，针对其工况介质特点，对阀门结构一一作了相应处理和改进。通过以上处理和优化，确保了阀门的长周期运行，为系统的安全运行打下基础。