水煤浆用高压大口径耐磨球阀的设计与研究

温智慧，张英英，张佳辉

（陕西航天泵阀科技集团有限公司， 陕西 西安 710200）

1 项目背景

煤浆管道输送是除铁路、公路、水路输送煤炭的另一种重要输送方式。我国东部工业发达，能源消耗大，但煤炭资源大多数在西部。为此我国有关部门正考虑建设长输煤管道，解决煤炭的输送问题。陕西作为产煤大省，尤其榆林地区为我国重要的产煤区，而煤炭的大量需求却在关中地区，随着2019年底陕西第一条神渭输煤管道（主管道直径600mm，公称压力900磅级）的建成，将从根本上解决陕北矿区优质气化用煤供应渭北精细化工园原料煤的运输问题，从而打造煤—气化—精细化工产业链，推动新型煤化工产业快速发展。

全通径水煤浆用高压大口径耐磨切断球阀作为管道上重要的设备，须具有高耐磨、耐冲刷、防结垢、防结疤、变速切断等功能。该类阀门在工作压力下启闭力矩大，一般安装于野外阀室，常采用带小功率电机的蓄能式电液驱动机构，执行机构蓄能器至少能满足阀门运行2个行程。

因此研究该类阀的结构形式，选择合适的耐磨材料，防止水煤浆在阀门腔体内脱水沉淀并进行腔体清洗排渣，相关旋转及密封部位能防水煤浆侵入，通过外输液压力减小阀座与球体摩擦力，降低启闭力矩是本文讨论的重点。

本文介绍了陕西神渭输煤管道水煤浆用高压大口径耐磨切断球阀及电液驱动机构的设计和研究工作。

2 使用工况特点

（1）煤浆组分见表1。

表1

（2）环境条件：

环境极限温度：最高温度：45℃；最低温度：-33℃；介质温度：5℃～25℃。

（3）阀门要求：公称通径：600mm；公称压力：900磅级；连接方式：焊接带袖管；驱动方式：电液驱动（蓄能式）；开启时间：90s（可调）。

3 主要设计难点

（1）阀门的主要材料选择；（2）阀门及阀座结构形式；（3）球体的支承方式；（4）高速煤浆颗粒对球体和阀座，阀门流道的冲刷，腐蚀；（5）阀座预紧弹性元件的防煤浆颗粒侵入设计；（6）球体滑动轴承处防煤浆颗粒设计；（7）防止球体与阀座密封间微小颗粒的沉积和粘结，清除密封面间杂质清除功能；（8）启闭过程阀座与球体间摩擦力矩的降低方法，延长密封面寿命；（9）腔体内水煤浆沉淀、结疤以及腔体的清洗和排污；（10）液压站设计及控制原理。

4 具体设计方案

（1）主体材料的选择

根据环境温度、煤浆颗粒、安装位置，从经济合理性出发，中体及侧体、球体及阀座可采用A105锻件，球体及阀座密封面选用合适的耐磨处理和防腐方法。阀杆采用高强度钢，在满足扭矩情况下直径尽量小。

（2）阀门采用三段式结构，中体上下轴开孔处各补焊一加强体，能有效增强中体减薄处的强度，消除开孔处内侧应力集中及承压时影响密封的变形。在精加工前，中体采用退火的方法消除焊接应力。

中体开孔处补焊结构见图1。考虑到水煤浆为液固两相，非危险介质，DBB阀座结构完全可满足要求。

图1 中体开孔处补焊结构

（3）由于该阀口径大，压力高，在关闭时球体在流道方向受力为数百吨的力，由于上轴需要驱动球体转动，则承受很大转矩和弯曲的合成应力，若阀杆强度不足，则可能引起球体中心的移动，进而影响阀门的密封性；而采用一个上支承套来承受球体在流道方向上的弯曲应力，而上轴此时只需承受球体启闭转矩，阀门密封性影响取决于上支承套的强度，这样阀杆的设计计算也可简单。

该支承方案相对于直接通过上下轴直接支承球体结构，优点是阀杆只承受扭矩，阀杆直径小。

（4）为保证球体涂层耐磨性及附着力，球体表面可重熔Ni60，球体流道、阀座密封面及内表面HVOF，可喷涂STL合金。

（5）为防止阀座弹性元件煤浆颗粒侵入卡阻失效，需采用防颗粒设计，主要有三处特点：

(a)阀座导向处端部与侧体间间隙小，深度浅，对应侧体流道处采用斜度设计，在介质流动时，可将处于间隙中的颗粒冲走。

(b)由于阀座与阀体导向部分间隙很小，对微小颗粒有初步过滤作用。

(c)通过碟簧或别的弹性体压住软质材料（不密封），再次过滤煤浆颗粒，而仅使介质（水）通过，从而防止弹簧处堆积煤颗粒，使弹簧失效。

结构设计如图2。

（6）为防止球体旋转部分煤浆颗粒侵入擦伤滑动面，引起阀门力矩增大，进而影响阀门的密封性，采用了如图3所示的设计：

图3 球体滑动轴承处防煤浆颗粒设计

（7）阀座与球体接触处双刮刀设计，即先初级刮刀刮掉大颗粒煤浆，次级刮刀清洁阀座与球面间粘结小颗粒煤浆，保持密封面间密封性。

详见（5）中《阀座弹性元件防煤浆颗粒设计》结构图。

（8）阀座处设计有平衡腔，在球阀开启过程中，利用外界液压力克服掉阀座压在球面上的力，仅保留弹簧的预紧力，这样就会大大减小阀座与球体的磨损，延长使用寿命。

详见（5）中《阀座弹性元件防煤浆颗粒设计》结构图。

（9）阀腔内置有冲洗喷头，上部冲洗液进口连接水泵，下部带有电动排污阀及管路，在阀处于关闭状态可进行清洗内腔，防止煤浆长期沉淀硬化。

（10）蓄能式液压站，液压缸差动式供油连接，液压锁互锁，两路阀座液压平衡腔处供油管路。

5 设计主要组成

该阀主要由阀门本体部分、清洗及排污系统、液压驱动组件、液压平衡系统、蓄能式液压站、智能控制箱等部分组成。

阀门本体主要由中体、球体、阀座、阀杆、侧体及袖管以及其它零部件组成；清洗与排污主要由腔体内置喷头，清洗液输入管路，腔体排污管路等组成；液压驱动系统用来驱动阀门的启闭，主要由液压缸，摇臂，支承板以及各种位置检测部件等组成。

图4 水煤浆用高压大口径耐磨截断球阀的主要组成

蓄能式液压站用于提供阀门启闭以及液压平衡系统动力源；智能控制箱用于控制蓄能式液压站工作，阀门的启闭，清洗液进口压力平衡阀及泵的工作，排污管路阀门的启闭，接受远传控制信号等。

6 结语

针对神渭输煤管道水煤浆输送用大口径（NPS24）、高压力（900磅级）电液驱动耐磨切断球阀，根据实际工况，从设计角度提出了具有针对性的解决思路，如结构形式、耐磨面的处理、防煤浆颗粒设计方法、降低阀门启闭过程中力矩、阀体内腔沉淀物的清洗和排污处理方法等。

依据以上思路，我公司设计和生产的公称通径NPS24（DN600），公称压力900磅级（PN160），带袖管的电液驱动球阀于2014年取得实用新型专利（专利号：ZL201420091487.4），2016年通过国家特种设备型式检验，目前已应用于输煤管路上。

◆参考文献

[1] 秦大同，谢里阳. 现代机械设计手册[M].北京：化学工业出版社，2011.

[2] 杨源泉主编. 阀门设计手册[M].北京：机械工业出版社，2000.

[3] 陆培文主编. 实用阀门设计手册[M].北京：机械工业出版社，2002.

[4] 李壮云主编. 液压元件与系统（第三版）[M].北京：机械工业出版社，2011.