煤直接液化减压塔进料球阀失效分析及修复

龙云飞　龚宝龙

（中核苏阀科技实业股份有限公司)



煤直接液化减压塔进料球阀失效分析及修复

龙云飞*龚宝龙

（中核苏阀科技实业股份有限公司)

介绍了煤直接液化工艺流程及其特点。根据减压塔进料球阀的工作参数和功能作用，比照其失效形貌，分析了该球阀发生磨损失效的原因，制定了相应的拆解和修复方案。对修复后的球阀进行检查和试验，以满足标准规范的要求。最后对该球阀的优化运行给出了建议。

煤直接液化球阀失效分析修复磨损表面硬化减压塔

0　引言

煤化工是煤经化学反应加工成为气体、液体、固体的燃料和化学品的过程，是煤炭高效清洁利用的重要途径。煤直接液化作为煤化工的典型代表，在国内外已相继建成了多套装置，其中包括我国神华集团开发的工业化示范装置。神华集团的示范装置工况苛刻，每年都会停工检修，其中耐磨阀门作为重点设备被列入检修计划。在石化、火电、核电、深海等领域关于阀门检修的报道已有很多[1-4]，然而在煤化工行业关于阀门检修的报道很少。本文针对煤直接液化示范工程中减压塔进料球阀的使用现状进行了讨论。对进料球阀的结构特征和失效原因进行了分析，并在此基础上提出了进料球阀修复方案。此外，还对检修过程中暴露出的问题提出了改进措施。

1　煤液化减压塔进料球阀简介

1.1阀门位置及作用

煤直接液化工艺流程主要分为三个工段：煤浆制备工段、反应工段、分馏工段。其工艺流程图如图1所示。油煤浆和氢气混合后经加热炉进入液化反应器。经过反应后物料从反应器流出，然后再经一系列分离器进行气液分离。分离出的含固液相物料进入常压塔进行蒸馏。常压塔底部设有循环泵，通过循环泵将物料送入减压塔以进行进一步蒸馏，并进行油品回收。其余的未反应物及残渣由减压塔塔底排出[5-6]。

图1　煤直接液化工艺流程

常压塔管线上有许多调节阀，可以调节常压塔底泵与减压塔之间的压差。本文所分析的减压塔进料球阀位于减压塔入口处。当上游的调节阀失效，不能调节介质压力和流量时，该进料球阀起到切断介质的作用，以保护减压塔不受上游介质高速冲蚀的影响。

1.2阀门结构及材料

该进料球阀为三片式浮动球结构，阀门为整体锻造结构。该球阀的结构如图2所示。球阀的公称通径为：入口端DN350、出口端DN700，公称压力PN5，设计温度为425℃，球体直径为890 mm。球阀主要由以下几部分组成：左阀体、左阀座、中法兰垫片、主阀体、球体、球体衬套、右阀体、中法兰螺栓、螺母、碟簧、右阀座、阀杆垫片、阀杆、填料、压套、压板等。主体材料为ASTM A182 F9，阀座材料为Inconel718，球体衬套材料为Inconel718。球体表面进行火焰重熔碳化铬，整个流道区域覆盖镍基碳化钨涂层，以作为磨损保护层。

图2　球阀结构

2　球阀失效部件及失效原因

2014年，减压塔进料球阀全面检修时发现出口端阀座、球体入口侧、入口端阀体存在较大面积的材料缺损。之后，对材料缺失部位进行了焊补修复。2015年检修期间，对该球阀进行拆解，仍然发现在同样区域内发生了材料脱落缺失的情况，见图3、图4和图5。

图3　出口端阀座磨损

图4　球体入口侧磨损失效

由于常压塔塔底介质温度较高，该段的工作压力等于或略低于液体的饱和蒸汽压。当介质流经调节阀时，介质压力迅速降低至饱和蒸汽压以下，发生闪蒸现象。闪蒸作用使得介质中气体含量所占比例急剧上升，且以较高的速度流向调节阀的下游。高速的闪蒸流携带着约5%～12%的固体颗粒，对与其连接的减压进料球阀造成了严重的冲蚀磨损。

图5　入口端阀体内流道局部失效

3　球阀的修复和检验

3.1修复工艺的确定

通过对球阀缺陷部位形状及尺寸的分析，确定采用氩弧焊+手工电弧焊+激光熔覆的方法进行修复。对零件缺陷部位进行清理，去除缺陷部位杂质直至露出金属本体，经PT检测合格，确保表面无裂纹。用氩弧焊进行打底，手工电弧焊进行填充，补焊层的材料硬度小于40 HRC。将缺陷部位补焊填充至距初始轮廓面约1 mm的位置。对补焊层进行打磨和PT检测，确保表面无裂纹。在此基础上采用激光熔覆技术进行表面硬化处理，硬化材料为镍基碳化钨。熔覆完成之后，对球体与出口端阀座、出口端阀座与出口端阀体之间的密封副进行研磨和配研。在打磨清理本体缺陷时，打磨区域和未打磨区域之间的连接处需进行圆弧倒角，以降低补焊时产生应力集中的可能性。填充时需按标准严格控制电流的大小及焊枪运动速度，以避免零件过热产生变形[7]。

3.2表面硬化工艺要点

激光运动轨迹与送粉喷嘴方向垂直，熔覆轨迹为W形。相邻两道搭接处最易出现裂纹，熔覆时需控制搭接量，快速更换工作位，减少前一道次的冷却时间。修复区域的棱沿是应力集中区，且热量不易扩散，碳化钨涂层在这些几何特征区域容易过热，造成碳化钨分解形成裂纹。对棱沿区域单独进行熔覆，控制激光输入功率，避免产生裂纹。修复过程示意见图6。

图6　修复过程

对零件进行预热，当零件预热至300℃左右时进行激光熔覆。熔覆完成后进行保温缓冷，以降低硬化层的开裂倾向。修复完成的零件如图7、图8所示。

图7　出口端阀座修复

图8　球体和入口端阀体修复

3.3检查和试验

采用与基体相同的材料制作试件，保持粉末配比以及工艺参数相同，对试件进行激光熔覆。对激光熔覆后的试件进行剖切，运用扫描电子显微镜（SEM）对熔覆层和基体的截面进行观测。由图9可知，硬质WC颗粒均匀弥散在整个熔覆层中，基材与熔覆层结合处有明显的熔合界线，说明该试验中基材与熔覆层呈冶金结合状态。对熔覆层表面显微硬度进行测试，发现熔覆层的平均硬度达62 HRC以上。

球阀修复完成之后，按照相关标准对球阀进行清洗、组装和试验。根据API 598标准[8]进行壳体试验，未发现壳体异常变形情况；进行水压密封试验，球阀的泄漏率在标准允许的范围内。球阀水压试验完成之后进行5次开关试验，验证阀门的抗卡阻性能，并在出厂前完成球阀执行机构开关位置指示调试，确保阀门能够开关到位。

图9　激光熔覆层SEM图

4　预防及优化改进

加强工艺管理，严格把握操作参数，维持常压塔出料和减压塔进料的稳定，避免介质发生较大的压力波动，以降低对减压塔进料球阀的冲击。运行过程中，应加强巡检。发现执行机构启闭不到位时，应及时调整处理，以防止启闭不到位而造成的介质对密封副间隙的冲蚀磨损。在成本可接受的范围内，继续对阀门基体材质进行升级，提高硬化层的性能，并对内件结构进行优化，以延长球阀的使用寿命和检修周期。

5　结论

本文结合实际运行及历年检修的情况，对煤液化减压塔进料球阀磨损失效原因进行分析。通过补焊的方法对基材的缺损部位进行填充，采用激光熔覆工艺进行表面硬化处理。检修后的球阀顺利通过壳体和密封试验，执行机构启闭位置调试精确，各项性能良好，达到了预定的检修要求，为其长周期运行提供了保障。减压塔进料球阀的检修过程为煤液化耐磨球阀的设计选型、表面硬化及修复方法提供了有益的参考。

[1]成雷．壳牌煤气化装置中煤粉输送系统特种阀的故障分析及其国产化进展 [J]．流体机械，2010，38(8)：57-59．

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[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]龚宝龙．煤液化高温调节阀流动磨损预测及校核研究[D]．杭州：浙江理工大学，2014．

[6]高晋生，张德祥．煤液化技术 [M]．北京：化学工业出版社，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）

*龙云飞，男，1972年生，高级工程师。苏州市，215129。