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气化装置粉煤线锁斗阀故障分析及改进措施

来源: 上海阀门 时间: 2012-06-21 点击: 3,242

1.概述

壳牌粉煤气化(SCGP)技术是当前世界范围内已工业化的煤气化技术中最先进的,尤其是粉体处理技术和控制系统均有全新的设计理念,其中大量使用了逻辑顺序控制,而顺序控制最终是通过阀门的准确动作来实现。气化装置粉体单元通过粉煤储罐、放料罐与给料罐之间的锁斗阀、平衡阀和泄压阀的周期性隔离、连通、排放实现煤粉的传送,该顺序控制无需或只需极少的人工干预。

由此可见,锁斗阀能否正常工作直接关系到气化炉的给料能否顺利进行,对其故障原因的分析及解决对保障气化装置的长周期安全运行有着重要的意义。

2.锁斗阀的参数和工况

公称通径:DN300,压力等级:PNl0.0,工艺介质:氮气+粉煤,操作温度:80℃,操作压力:4.7Mpa,密封等级:V级,阀门动作频次:开关各1次/20分钟。

3.BURGMANN锁斗阀的结构和性能特点

安庆粉煤气化装置上使用的进口锁斗阀是BURGMANN公司生产的全通径硬密封固定球阀。BURGMANN锁斗阀的结构见图l。其阀体为两块式,材质WCB,流道内衬双相钢耐磨套,阀体设吹扫口。球体侧装,上下转轴的凸轮状头部插入球体,转

轴由阀盖中的轴套定位。密封副由碟簧预紧的阀前密封型阀座和球体组成,球体和阀座的基材为双相钢2205,密封面喷焊镍基合金,硬度HRC60。阀座带刮扫刃,防止固体颗粒进入密封面。阀门配单缸双作用单拨叉气动执行器。

BURGMANN锁斗阀的结构示意图

BURGMANN 锁斗阀为介质上游密封型固定球阀,介质压差对球体的推力通过阀杆传递到阀体上,压差使上游阀座贴紧球体而密封,启闭扭矩受压差影响小。

4.BURGMANN 锁斗阀故障统计、分析和改进措施

4.1 锁斗阀故障统计

锁斗阀在频繁动作过程中,特别是运行一年后多次出现故障。根据统计:2007年1月25日—2009年8月20日,4台粉煤线锁斗阀共出现故障54次,2007—2009年装置在运期间日平均故障率见表1,各类故障所占比例见图2。

根据图2,锁斗阀故障归纳为以下几类:(1)支架开裂和扭曲变形;(2)气动执行器活塞杆断、输出轴铜套和拨叉严重磨损;(3)阀门开关不到位等。

表1 2007-2009年装置在运期间锁斗阀日平均故障率
序号 故障次数 装置实际运行时间(天) 在运期间日平均故障率(%)
2007年 13 179 7.26
2008年 40 246 16.26
2009年 1 122 0.82
各类故障比例图

4.2 支架故障

阀门气动执行器支架扭曲变形,四角开裂。

4.2.1 支架故障分析及造成的后果

在原支架三维模型的气缸连接面加载扭矩5292N—m(此数据为进口厂商提供),固定支架底面,对支架进行有限元分析,分析如下:(1)支架下角应力最大,且和材料屈服应力相近,导致下角易开裂;(2)四角位移最大,为0.12mm;(3)原支架易变形损坏,导致气缸输出轴与阀杆不对中,引起气动头零件磨损。

4.2.2 支架改造

支架加固改进:(1)保证支架安全系数大于4;(2)支架四角位移下降一个数量级。支架改造后无变形扭曲和四角开裂现象。

4.3 气动头故障

拨叉式气动头输出轴铜套磨损、活塞杆断裂、拨叉开裂。

4.3.1 气动头故障分析及造成的后果

(1)拨又气动头理论计算基础

单拨叉机构,其输出转矩的计算见下式,尺寸几何含义如图5。

式中:Q——拨叉机构最小的输出扭矩,N·mm;

Q——压缩空气对活塞的作用力(N);

Q=π/4*D2P

D——气缸内径(mm);

h——气动装置输出轴中心O到活塞杆的垂直距离(mm);

φ——输出轴旋转角(φ以OY轴开始读数,逆时针为正,±45°);

R——输出轴中心O到滑块中心O1的距离(mm),R=h/cosφ;

l——拨叉槽宽(mm);

d——销轴直径(mm);

μ——气动装置摩擦系数,取0.15。

(2)气动头的选型原则和进口气动头的原始数据

拨叉气动头的选型一般要求其最小输出转矩Mmin不小于M球max的1.5倍。机构的效率按η=0.8,即按下式选择锁斗阀气动头Mminη=1.5M球max

进口气动装置测绘数据:销轴直径d=36,拨叉槽宽l=40,滑块导向杆直径50,h=100,活塞直径D=430,厂商提供的球阀开阀扭矩M球max=5292Nm。

(3)进口气动头的校核

将进口锁斗阀的阀门启闭扭矩5292Nm,及其气动装置的参数l=40、d=36、h=100、D=430、μ=0.15、η=0.8代入计算公式Mminη=1.5M球max从而确定气缸介质压力P=0.68MPa。

(4)气动头的故障分析

依据拨又气动头理论计算、选型原则、拨又气动头的原始数据进行校核得出:锁斗阀要正常启闭,进口阀门的气动装置的气压应该为7kg/cm2 ,考虑到阀杆进煤粉和球与阀座之间的磨损加剧,该气源压力可能需要进一步加大。可见进口气动头选型偏小,导致气动头长期在高气压状态下频繁启闭,再加上支架变形损坏引起的气缸输出轴与阀杆不对中,进一步造成气动执行器零件的磨损和损坏。

4.3.2气动头的改进措施

(1)改造气动头,使其在4kg/cm2~5kg/cm2的气压下输出与阀门匹配的扭矩。

(2)对易损部件采用耐磨材料,如气缸输出轴套材质改为球墨铸铁。

4.4 阀门开关不到位或卡死

阀杆卡涩,造成球体转动不到位或无法转动。

4.4.1 阀杆卡涩原因分析及造成的后果

阀杆卡涩原因分析见图6:(1)阀杆仅有一道防尘环,该环一旦磨损,煤粉进入“阀杆与轴套”以及“阀杆与止推垫”之间的间隙,煤粉逐渐压结,造成阀杆卡涩,阀门动作困难;(2)轴套和阀杆咬合:轴套和阀杆材质都是双相钢,出现咬合现象,导致阀门动作困难。

进口锁斗阀阀杆防尘结构示意图

4.4.2 阀杆卡涩的改进措施

改进措施见图7:(1)阀盖加密封气口,通入稍高于介质压力的高压氮气(密封口第一道阀后必须加单向阀,以防介质污染氮气系统),防止粉体进入阀杆和轴套间隙;(2)轴套多加几道耐磨密封环,防止粉体进入;(3)轴套改为和阀杆相异的材料一耐磨合金,防止轴套和阀杆咬合。

阀杆防尘结构改造示意图

5.结语

通过加强支架、增大气缸输出扭矩、阀盖加密封气防尘等改造措施,大大地降低了进口锁斗阀的运行故障,位号为12XV0232的进口锁斗阀,自2009年4月运行以来只出现1次故障。

特别是在分析以上原因和总结改造经验的基础上进行的锁斗阀的国产化改造,取得了很好的效果,最早一台国产化阀门已运行8个多月无故障,不仅探索了锁斗阀国产化的路子、大大降低了故障率和检维修费用,也为气化装置的安全稳定运行奠定了基础。

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