黑水調(diào)節(jié)閥設(shè)計難點：高溫高壓沖刷汽蝕固液氣三相流黑水工況所可能造成的危害

廣華

固液氣三相流伴隨高壓差、高流速、強腐蝕、強沖擊，黑水調(diào)節(jié)閥的工況可謂是極其惡劣。固相方面，由于固相含量高，顆粒硬度大，在高壓差、高流速的加持下，固體顆粒將成為調(diào)節(jié)閥設(shè)計中首當(dāng)其沖的難點。高速沖擊下的固體顆粒，首先會對流體通路上阻礙前進的零件進行撞擊，比如閥芯、閥座、閥桿等起主要調(diào)節(jié)性功能的零件，這部分零件由于自身加工材料的限制、原材料二次處理的方式、抵抗沖擊結(jié)構(gòu)的不同，會造成零件表面的凹坑、刮傷、甚至裂紋，這些因固體顆粒沖擊造成的缺陷，會隨著液體閃蒸、空化的影響，二次對零件本身進行侵蝕，直至零件破碎、彎曲、甚至折斷。
其次，固體顆粒在流體通路的路徑上進行磨損，主要表現(xiàn)為在管道內(nèi)壁、閥體內(nèi)腔由于阻塞流或者管道轉(zhuǎn)彎、閥腔轉(zhuǎn)向過程中突然改變方向，固體顆粒伴隨液體在慣性作用下，沖擊轉(zhuǎn)向內(nèi)壁，造成刮傷、劃痕、異響；方向的改變也會影響局部介質(zhì)的流速，也會產(chǎn)生渦流、湍流造成管道、閥腔的振動、噪聲，這也也是介質(zhì)在管道運輸、閥門調(diào)節(jié)中潛在的危險。

固體顆粒產(chǎn)生的另一方面危害是沉降問題，固體顆粒細小，極易發(fā)生沉降、結(jié)垢現(xiàn)象，易堆積在調(diào)節(jié)閥內(nèi)腔死角、結(jié)痂在閥芯、閥座、閥桿表面，特別是用于穩(wěn)定閥桿、減少震動的閥桿導(dǎo)向區(qū)域。由于滿足閥桿導(dǎo)向及穩(wěn)定作用，閥桿與導(dǎo)向之間的間隙不會留太大，本身閥桿會隨著閥門啟閉上下運動，必然會將顆粒帶動到閥桿與導(dǎo)向之間的間隙中，這就會導(dǎo)致閥桿與導(dǎo)向卡死，加劇閥桿與導(dǎo)向表面的磨損，最終影響閥桿的穩(wěn)定作用。同時，也會因為導(dǎo)向穩(wěn)定作用的減弱，使得閥芯在液體沖擊下產(chǎn)生振動，與閥座產(chǎn)生碰撞，造成閥芯與閥座的二次傷害。由于閥桿表面的磨損與刮傷，也會影響調(diào)節(jié)閥上部填料與閥桿密封的效果，造成黑水外漏、有毒氣體逸散等嚴重的生產(chǎn)事故。

液相方面，由于黑水主體為液體，在液體中多含有Ca2+、Mg2+、Cl-、S2-、CO32-、NH4+、H2S等多種強腐蝕離子，伴隨較高溫度，長時間浸泡會對調(diào)節(jié)閥內(nèi)壁及零部件產(chǎn)生沖蝕作用，弱化零部件表面金屬自帶的氧化保護層，配合固體顆粒的沖擊，撕開金屬表面的第一層保護，為后續(xù)的閃蒸、空化提供進一步破壞的條件。

由于黑水閃蒸系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)閥面對的是高壓差工況，因此黑水液相本身是檢驗調(diào)節(jié)閥本身強度的重要組成部分。由于在高壓差工況下，大部分閥門會為了減少啟閉過程中，執(zhí)行器的輸出力與穩(wěn)定效果，會在閥腔內(nèi)設(shè)置用于平衡閥芯閥桿上下兩側(cè)壓力的平衡區(qū)，液體在高壓作用下，首先會沖擊調(diào)節(jié)閥腔內(nèi)部的平衡區(qū)域，此時閥腔的流道形狀就成為的重中之重，流道形狀若不能對流體進行疏導(dǎo)、轉(zhuǎn)向、減速，則會加劇閥腔的磨損，加大閥腔內(nèi)隔板的壓力承載，導(dǎo)致裂紋、貫通等問題。閥腔的流道形狀也會影響阻塞流的產(chǎn)生、閥門的壓力恢復(fù)系數(shù)、局部渦流、紊流的產(chǎn)生，影響著閥門流通能力、調(diào)節(jié)能力，也影響著閥體振動、噪聲等因素。

另一方面，黑水液體的沖擊也會直接影響閥內(nèi)零部件的強度，考慮到閥內(nèi)零部件的沖擊位置、導(dǎo)向穩(wěn)定性能，將會使得閥內(nèi)零部件產(chǎn)生振動、磨損、彎曲，從而導(dǎo)致閥門穩(wěn)定性下降、調(diào)節(jié)精度下降、安全性下降，甚至閥內(nèi)零部件的彎曲、折斷。

氣相方面，由于黑水調(diào)節(jié)閥在面臨高壓差工況，閃蒸與空化效果是無法避免的，由于閥后介質(zhì)的體積的急劇膨脹，高速流體會對閥芯表面、閥座密封面、閥門出口處的文丘里擴口延伸管或管道，產(chǎn)生無法避免的沖擊，甚至造成零部件表面破碎與管道破損。

另一方面閃蒸現(xiàn)象造成的流體體積的急劇變化，也會使得管道及下游工藝設(shè)備管口造成振動，若不能解決該問題，會導(dǎo)致下游設(shè)備出現(xiàn)設(shè)計意料之外的問題，進而損傷下游設(shè)備，這將會造成嚴重的生產(chǎn)事故，造成大量經(jīng)濟損失。

黑水調(diào)節(jié)閥作為煤化工行業(yè)的典型代表，固液氣三相混合的苛刻工況讓每位設(shè)計者與用戶十分苦惱，使用壽命一短再短。本文通過固體、液體、氣體三個方面分析了問題產(chǎn)生的原因，以及造成的危害，應(yīng)通過多個角度提出解決方案，用以為今后的設(shè)計者設(shè)計過程中提供參考。

工藝流程的改進必將推動工業(yè)產(chǎn)業(yè)的進步，工藝裝備的需求將帶動工業(yè)設(shè)備發(fā)展。煤化工作為工業(yè)產(chǎn)業(yè)重要組成部分，在煤制甲醇領(lǐng)域、煤制乙烯領(lǐng)域、煤制合成氨領(lǐng)域中，水煤漿氣化工藝的出現(xiàn)帶動了煤化工產(chǎn)業(yè)的量產(chǎn)化、經(jīng)濟化。水煤漿氣化工藝在目前來講具有制備技術(shù)成熟、制備流程可控的生產(chǎn)安全性；也具有原材料兼容、合成轉(zhuǎn)化效率高的經(jīng)濟性；還具有設(shè)備裝置易建設(shè)、投資回報周期短的商業(yè)性。在水煤漿氣化工藝中，除了閃蒸罐作為合成轉(zhuǎn)換的技術(shù)核心外，在氣化爐與洗滌塔內(nèi)的黑水調(diào)節(jié)閥也是整個工藝中作為經(jīng)濟性與環(huán)保性體現(xiàn)里不可缺少的組成部分。黑水調(diào)節(jié)閥的長期穩(wěn)定運行影響著氣化裝置的持續(xù)生產(chǎn)，但由于黑水調(diào)節(jié)閥面對的嚴苛工況，極短的使用壽命與故障幾率催促著黑水調(diào)節(jié)閥技術(shù)的改善與進步。