龍云飛　龔寶龍

（中核蘇閥科技實(shí)業(yè)股份有限公司)

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煤直接液化減壓塔進(jìn)料球閥失效分析及修復(fù)

龍云飛*龔寶龍

（中核蘇閥科技實(shí)業(yè)股份有限公司)

介紹了煤直接液化工藝流程及其特點(diǎn)。根據(jù)減壓塔進(jìn)料球閥的工作參數(shù)和功能作用，比照其失效形貌，分析了該球閥發(fā)生磨損失效的原因，制定了相應(yīng)的拆解和修復(fù)方案。對修復(fù)后的球閥進(jìn)行檢查和試驗(yàn)，以滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求。最后對該球閥的優(yōu)化運(yùn)行給出了建議。

煤直接液化球閥失效分析修復(fù)磨損表面硬化減壓塔

0　引言

煤化工是煤經(jīng)化學(xué)反應(yīng)加工成為氣體、液體、固體的燃料和化學(xué)品的過程，是煤炭高效清潔利用的重要途徑。煤直接液化作為煤化工的典型代表，在國內(nèi)外已相繼建成了多套裝置，其中包括我國神華集團(tuán)開發(fā)的工業(yè)化示范裝置。神華集團(tuán)的示范裝置工況苛刻，每年都會停工檢修，其中耐磨閥門作為重點(diǎn)設(shè)備被列入檢修計劃。在石化、火電、核電、深海等領(lǐng)域關(guān)于閥門檢修的報道已有很多[1-4]，然而在煤化工行業(yè)關(guān)于閥門檢修的報道很少。本文針對煤直接液化示范工程中減壓塔進(jìn)料球閥的使用現(xiàn)狀進(jìn)行了討論。對進(jìn)料球閥的結(jié)構(gòu)特征和失效原因進(jìn)行了分析，并在此基礎(chǔ)上提出了進(jìn)料球閥修復(fù)方案。此外，還對檢修過程中暴露出的問題提出了改進(jìn)措施。

1　煤液化減壓塔進(jìn)料球閥簡介

1.1閥門位置及作用

煤直接液化工藝流程主要分為三個工段：煤漿制備工段、反應(yīng)工段、分餾工段。其工藝流程圖如圖1所示。油煤漿和氫氣混合后經(jīng)加熱爐進(jìn)入液化反應(yīng)器。經(jīng)過反應(yīng)后物料從反應(yīng)器流出，然后再經(jīng)一系列分離器進(jìn)行氣液分離。分離出的含固液相物料進(jìn)入常壓塔進(jìn)行蒸餾。常壓塔底部設(shè)有循環(huán)泵，通過循環(huán)泵將物料送入減壓塔以進(jìn)行進(jìn)一步蒸餾，并進(jìn)行油品回收。其余的未反應(yīng)物及殘渣由減壓塔塔底排出[5-6]。

圖1　煤直接液化工藝流程

常壓塔管線上有許多調(diào)節(jié)閥，可以調(diào)節(jié)常壓塔底泵與減壓塔之間的壓差。本文所分析的減壓塔進(jìn)料球閥位于減壓塔入口處。當(dāng)上游的調(diào)節(jié)閥失效，不能調(diào)節(jié)介質(zhì)壓力和流量時，該進(jìn)料球閥起到切斷介質(zhì)的作用，以保護(hù)減壓塔不受上游介質(zhì)高速沖蝕的影響。

1.2閥門結(jié)構(gòu)及材料

該進(jìn)料球閥為三片式浮動球結(jié)構(gòu)，閥門為整體鍛造結(jié)構(gòu)。該球閥的結(jié)構(gòu)如圖2所示。球閥的公稱通徑為：入口端DN350、出口端DN700，公稱壓力PN5，設(shè)計溫度為425℃，球體直徑為890 mm。球閥主要由以下幾部分組成：左閥體、左閥座、中法蘭墊片、主閥體、球體、球體襯套、右閥體、中法蘭螺栓、螺母、碟簧、右閥座、閥桿墊片、閥桿、填料、壓套、壓板等。主體材料為ASTM A182 F9，閥座材料為Inconel718，球體襯套材料為Inconel718。球體表面進(jìn)行火焰重熔碳化鉻，整個流道區(qū)域覆蓋鎳基碳化鎢涂層，以作為磨損保護(hù)層。

圖2　球閥結(jié)構(gòu)

2　球閥失效部件及失效原因

2014年，減壓塔進(jìn)料球閥全面檢修時發(fā)現(xiàn)出口端閥座、球體入口側(cè)、入口端閥體存在較大面積的材料缺損。之后，對材料缺失部位進(jìn)行了焊補(bǔ)修復(fù)。2015年檢修期間，對該球閥進(jìn)行拆解，仍然發(fā)現(xiàn)在同樣區(qū)域內(nèi)發(fā)生了材料脫落缺失的情況，見圖3、圖4和圖5。

圖3　出口端閥座磨損

圖4　球體入口側(cè)磨損失效

由于常壓塔塔底介質(zhì)溫度較高，該段的工作壓力等于或略低于液體的飽和蒸汽壓。當(dāng)介質(zhì)流經(jīng)調(diào)節(jié)閥時，介質(zhì)壓力迅速降低至飽和蒸汽壓以下，發(fā)生閃蒸現(xiàn)象。閃蒸作用使得介質(zhì)中氣體含量所占比例急劇上升，且以較高的速度流向調(diào)節(jié)閥的下游。高速的閃蒸流攜帶著約5%～12%的固體顆粒，對與其連接的減壓進(jìn)料球閥造成了嚴(yán)重的沖蝕磨損。

圖5　入口端閥體內(nèi)流道局部失效

3　球閥的修復(fù)和檢驗(yàn)

3.1修復(fù)工藝的確定

通過對球閥缺陷部位形狀及尺寸的分析，確定采用氬弧焊+手工電弧焊+激光熔覆的方法進(jìn)行修復(fù)。對零件缺陷部位進(jìn)行清理，去除缺陷部位雜質(zhì)直至露出金屬本體，經(jīng)PT檢測合格，確保表面無裂紋。用氬弧焊進(jìn)行打底，手工電弧焊進(jìn)行填充，補(bǔ)焊層的材料硬度小于40 HRC。將缺陷部位補(bǔ)焊填充至距初始輪廓面約1 mm的位置。對補(bǔ)焊層進(jìn)行打磨和PT檢測，確保表面無裂紋。在此基礎(chǔ)上采用激光熔覆技術(shù)進(jìn)行表面硬化處理，硬化材料為鎳基碳化鎢。熔覆完成之后，對球體與出口端閥座、出口端閥座與出口端閥體之間的密封副進(jìn)行研磨和配研。在打磨清理本體缺陷時，打磨區(qū)域和未打磨區(qū)域之間的連接處需進(jìn)行圓弧倒角，以降低補(bǔ)焊時產(chǎn)生應(yīng)力集中的可能性。填充時需按標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格控制電流的大小及焊槍運(yùn)動速度，以避免零件過熱產(chǎn)生變形[7]。

3.2表面硬化工藝要點(diǎn)

激光運(yùn)動軌跡與送粉噴嘴方向垂直，熔覆軌跡為W形。相鄰兩道搭接處最易出現(xiàn)裂紋，熔覆時需控制搭接量，快速更換工作位，減少前一道次的冷卻時間。修復(fù)區(qū)域的棱沿是應(yīng)力集中區(qū)，且熱量不易擴(kuò)散，碳化鎢涂層在這些幾何特征區(qū)域容易過熱，造成碳化鎢分解形成裂紋。對棱沿區(qū)域單獨(dú)進(jìn)行熔覆，控制激光輸入功率，避免產(chǎn)生裂紋。修復(fù)過程示意見圖6。

圖6　修復(fù)過程

對零件進(jìn)行預(yù)熱，當(dāng)零件預(yù)熱至300℃左右時進(jìn)行激光熔覆。熔覆完成后進(jìn)行保溫緩冷，以降低硬化層的開裂傾向。修復(fù)完成的零件如圖7、圖8所示。

圖7　出口端閥座修復(fù)

圖8　球體和入口端閥體修復(fù)

3.3檢查和試驗(yàn)

采用與基體相同的材料制作試件，保持粉末配比以及工藝參數(shù)相同，對試件進(jìn)行激光熔覆。對激光熔覆后的試件進(jìn)行剖切，運(yùn)用掃描電子顯微鏡（SEM）對熔覆層和基體的截面進(jìn)行觀測。由圖9可知，硬質(zhì)WC顆粒均勻彌散在整個熔覆層中，基材與熔覆層結(jié)合處有明顯的熔合界線，說明該試驗(yàn)中基材與熔覆層呈冶金結(jié)合狀態(tài)。對熔覆層表面顯微硬度進(jìn)行測試，發(fā)現(xiàn)熔覆層的平均硬度達(dá)62 HRC以上。

球閥修復(fù)完成之后，按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對球閥進(jìn)行清洗、組裝和試驗(yàn)。根據(jù)API 598標(biāo)準(zhǔn)[8]進(jìn)行殼體試驗(yàn)，未發(fā)現(xiàn)殼體異常變形情況；進(jìn)行水壓密封試驗(yàn)，球閥的泄漏率在標(biāo)準(zhǔn)允許的范圍內(nèi)。球閥水壓試驗(yàn)完成之后進(jìn)行5次開關(guān)試驗(yàn)，驗(yàn)證閥門的抗卡阻性能，并在出廠前完成球閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)開關(guān)位置指示調(diào)試，確保閥門能夠開關(guān)到位。

圖9　激光熔覆層SEM圖

4　預(yù)防及優(yōu)化改進(jìn)

加強(qiáng)工藝管理，嚴(yán)格把握操作參數(shù)，維持常壓塔出料和減壓塔進(jìn)料的穩(wěn)定，避免介質(zhì)發(fā)生較大的壓力波動，以降低對減壓塔進(jìn)料球閥的沖擊。運(yùn)行過程中，應(yīng)加強(qiáng)巡檢。發(fā)現(xiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)啟閉不到位時，應(yīng)及時調(diào)整處理，以防止啟閉不到位而造成的介質(zhì)對密封副間隙的沖蝕磨損。在成本可接受的范圍內(nèi)，繼續(xù)對閥門基體材質(zhì)進(jìn)行升級，提高硬化層的性能，并對內(nèi)件結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，以延長球閥的使用壽命和檢修周期。

5　結(jié)論

本文結(jié)合實(shí)際運(yùn)行及歷年檢修的情況，對煤液化減壓塔進(jìn)料球閥磨損失效原因進(jìn)行分析。通過補(bǔ)焊的方法對基材的缺損部位進(jìn)行填充，采用激光熔覆工藝進(jìn)行表面硬化處理。檢修后的球閥順利通過殼體和密封試驗(yàn)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)啟閉位置調(diào)試精確，各項(xiàng)性能良好，達(dá)到了預(yù)定的檢修要求，為其長周期運(yùn)行提供了保障。減壓塔進(jìn)料球閥的檢修過程為煤液化耐磨球閥的設(shè)計選型、表面硬化及修復(fù)方法提供了有益的參考。

[1]成雷．殼牌煤氣化裝置中煤粉輸送系統(tǒng)特種閥的故障分析及其國產(chǎn)化進(jìn)展 [J]．流體機(jī)械，2010，38(8)：57-59．

[2]孔勁松，余刃，孟開．三廢處理設(shè)施中閥門故障原因分析及對策 [J]．核動力工程，2013，34(4)：147-148．

[3]Bagherifard S，Pariente IFernández，Guagliano M．Failure analysis of a large ball valve for pipe-lines[J]．Engineering Failure Analysis，2013，32：167-177．

[4]Márquez A,Pino A Ibarra，Bona J De．Failure analysis of a let-down valve at a petrochemical plant[J]. Engineering Failure Analysis，2009，16：1894-1902．

[5]龔寶龍．煤液化高溫調(diào)節(jié)閥流動磨損預(yù)測及校核研究[D]．杭州：浙江理工大學(xué)，2014．

[6]高晉生，張德祥．煤液化技術(shù) [M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005．

[7]ASMEⅨ:2010，Qualification Standard for Welding and Brazing Procedures，Welders，Brazers，and Welding and Brazing Operators［S］．

[8]API 598-2009,Valve Inspection and Testing［S］．

Failure Analysis and Repair of Feedstock Ball Valve in Direct Coal Liquefaction Vacuum Tower

Long Yunfei Gong Baolong

The technological process and characteristics of the direct coal liquefaction are introduced.In consideration of the working parameters and functions as well as the failure morphology of the feedstock ball valve in the vacuum tower,the reason of the wear failure is analyzed and the corresponding disassembly and repair scheme are proposed.Then the examinations and tests are performed to meet the requirements of the standards.At last,the advices on the optimal operation are given.

Direct coal liquefaction；Ball valve；Failure analysis；Repair；Wear；Surface hardening；Vacuum tower

TQ 050.7DOI：10.16759/j.cnki.issn.1007-7251.2016.06.018

2015-09-25）

*龍云飛，男，1972年生，高級工程師。蘇州市，215129。