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【学术前沿】煤化工严苛工况阀门的选型与应用

来源：世展网分类：泵阀门行业资讯 2024-03-15 17:03 阅读：2715

2025年东北沈阳泵阀、管道、清洁设备机电展览会东北泵阀管道展

2025-04-24-04-26

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出品 |《阀门》期刊作者 | 神华工程技术有限公司：薛慧涛，王晓霞，夏婷婷

概述 ●

我国煤化工行业经过近20年的投入和发展，相继建成了一批现代煤化工工业化升级示范项目，煤间接液化、煤制烯烃、煤制乙二醇、煤制天然气等方面形成了可观的煤化工产业规模。煤化工以煤炭为原料生产化工品，决定了煤化工工艺中不但存在大量的固液、气液、甚至三相流介质工况，易燃易爆有毒有害介质，还存在组分复杂，腐蚀机理不明的腐蚀工况。因此，在煤化工装置中管道阀门的设计和选型要考虑的方面也呈现多样性和复杂性，高温高压、氢腐蚀、易燃易爆、有毒有害、多相流的堵塞和冲刷都是需要考虑的因素。

本文针对煤气化装置中黑水阀门、高压氧气阀门、CO变换工艺汽提阀门等苛刻工况下阀门选型存在的一些问题，分析工艺工况条件和存在的问题，研究阀门改进的措施和方法，保证工艺装置稳定长效地运行。

气化装置黑水阀门 ●2.1 阀门存在的问题黑水工况极为恶劣，黑水介质中不仅含有硫化氢、氯离子等腐蚀性介质，还含有大量固体颗粒，黑水阀不仅要承受腐蚀性介质的腐蚀，还要能承受高流速下固体颗粒冲刷带来的严重磨蚀。黑水角阀前后压差较大，会出现较严重的闪蒸，闪蒸引起的气蚀也对阀体内件带来较大的破坏。黑水角阀失效问题除主要的因冲蚀而引起的阀芯阀座失效外，还有阀杆冲蚀破坏、下游法兰冲蚀破坏、阀杆卡涩等问题。2.2 应对措施黑水角阀主要由阀体、阀盖、阀杆、阀芯阀座等组成，黑水侧进底出，通过阀杆上下启闭改变阀芯阀座相对位置从而改变流道面积，改变介质流量。针对黑水阀的腐蚀工况，目前行业内主要通过以下几个方面进行改进研究：（1）选用耐磨耐蚀材料双相不锈钢抗点蚀能力强，黑水中有硫化氢、Cl-等腐蚀介质，一般选用双相不锈钢作为黑水角阀阀体材质。针对黑水多相流高流速、高冲刷工况，阀体流道采用镀铬硬化处理，阀门内件一般采用实体硬质材料或者基材+硬化层处理。目前通过堆焊或喷焊司太立合金、金刚石、NI-WC都能有效增强阀芯阀座的表面强度和抗磨性能。硬质实体内件材料的选用主要集中在实体烧结碳化钨，其致密度高，硬度不低于HRC65，可以抵抗灰渣颗粒的冲蚀。（2）阀门流道结构改进国内外阀门厂家主要通过采用无死角、大半径圆弧设计改进阀门流道结构。无死角可以有效避免固体介质在阀内淤积，减少阀门堵塞和阀杆卡涩的次数；大半径圆弧增加了介质的流通行程，可有效降低介质在阀内的流动速度，大大减少流体中高速固体颗粒对阀体的冲刷，延长阀门的使用寿命。（3）阀杆稳定性改进高速黑水从阀门侧面进入阀门，直接冲击阀杆引起阀杆振动，并导致固体颗粒进入阀杆和填料间隙处，造成阀杆卡涩甚至出现物料堆积结垢导致阀门卡塞。通过改进阀杆和阀芯连接结构和加粗阀杆的设计，提高阀杆稳定性，减小阀杆振动的同时，也满足相应较大执行机构的推力要求。

净化装置汽提阀门 ●3.1 阀门存在的问题变换工艺冷凝液中含有CO2、NH3、H2S、H2、CO、Cl-等组分，成分复杂，腐蚀机理不明。目前针对变换工艺冷凝液的腐蚀机理还没有统一的分析和认识，从腐蚀程度来看汽提系统的设备和输送管线中，目前腐蚀最为严重的为冷凝液回流泵后管线和汽提塔塔顶气体至塔顶换热器管线，塔顶回流管线频繁发生腐蚀穿透，阀门腐蚀，而汽提塔塔顶阀门使用半月即发生泄漏。腐蚀损坏后的阀门照片如图1所示。

图1 321不锈钢汽提阀门内部腐蚀情况

3.2 应对措施考虑到H2S、H2、CO2的腐蚀，变换工艺从最初时期采用的奥氏体不锈钢0Gr18Ni10Ti（ASME牌号A321）塔顶换热器和管道阀门，到后来采用022Cr17Ni12Mo2（ASME牌号316L）材质的设备和阀门，汽提系统的腐蚀情况一直未得到改善。研究过程中，一般认为对汽提系统管道上的阀门所造成腐蚀和毁损，主要有以下几个方面：（1）气蚀汽提塔顶部出口介质为气相，在塔顶冷凝器中，经过热交换成为汽提塔冷凝液，气液相变的过程中两相共存，会产生气蚀，尤其是在诸多腐蚀性介质共存时，会对阀门造成严重气蚀。（2）Cl-、CN-对金属的腐蚀由于阀门内部结构的特点，“缝隙”与“死角”比较多，又有Cl-、CN-的存在，破坏了奥氏体不锈钢钝化膜在冷凝液中溶解和再形成的动态平衡，使得阀体和阀腔与冷凝液接触的地方，比一般的直管道更易形成小蚀点，发展成点蚀核，从而加剧点蚀和缝隙腐蚀。（3）氨腐蚀由于氨可以与金属离子形成稳定的配离子，导致金属离子与金属单质之间的标准电极电势降低，从而使金属更容易被氧化发生腐蚀现象。（4）H2S低温腐蚀所谓H2S低温腐蚀泛指温度在低于200 ℃以下，硫化氢对金属材料的腐蚀。主要包括三方面的腐蚀：化学腐蚀、电化学腐蚀、应力腐蚀开裂。前两种腐蚀存在于碳钢和低合金钢中，应力开裂腐蚀则还存在于奥氏体不锈钢中。近年来某煤化工企业的生产经验和探索，将汽提系统阀门更换为钢衬陶瓷阀，解决了之前不锈钢汽提阀门泄漏、寿命短的问题，极大地提高了阀门使用寿命。汽提系统陶瓷阀在使用了15个月后，没有发生明显可见的腐蚀泄漏情况，如图2所示。

图2 汽提陶瓷球阀使用情况

气化装置高压氧阀门 ●4.1 阀门存在的问题高压高纯度的氧气是高危险介质，管道内壁如果存在铁锈等颗粒，冲撞摩擦极易引起爆炸事故，所以氧气阀门的选型、结构、材料和制造施工等环节，均需要有特殊的措施和要求，并且在配管时也有特殊的要求来保证氧气管路安全，避免发生碰撞工况。另外，与氧气管线有连通的管线为了防止氧气串入，均设置了氧气止回阀，一旦氧气止回阀隔绝失效，氧气串入其他介质管线也会引起燃烧爆炸事故。某煤化工企业气化炉中心氧气系统吹扫管线阀门法兰处，在气化装置正常生产时曾发生过爆炸事故。氧气管线具体爆炸位置如图3所示。

图3 氧气系统吹扫管线爆炸事故

4.2 应对措施煤气化装置氧气阀门的设计和使用主要从以下几个方面入手：（1）阀门材质的选择根据氧气管线的压力、流速及具体工况，选择符合氧气管线相关规范要求的阀门材质，煤气化装置高压氧阀门阀体目前主要采用monel和Inconel等镍基合金。（2）阀门选型阀门选型不合理，通道内的氧气流速过快，极易造成引燃引爆事故。高压氧气阀门主要有截止阀、球阀和止回阀。闸阀闸板与阀座间的摩擦易造成火花不能选做氧气阀门；球阀属于快开快闭阀门，高压氧气介质中快速打开可能导致燃烧，应尽量避免使用；对夹式止回阀密封性不可靠，容易造成管线泄漏。所以氧气管线通常选用氧气专用阀门，其从产品的结构设计、材料选择、制造工艺、脱脂及防静电等环节均有特殊的要求，区别于普通阀门。（3）配管优化欧洲工业气体协会标准《Oxygen Pipeline and Piping Systems》将氧气工况划分为“撞击工况”和“非撞击工况”，高压氧气由管廊随着配管走向进入气化装置并最终输送至气化炉，氧气流动方向存在突然改变和产生旋涡的情况，符合“撞击工况”的条件。煤气化装置高压氧进入气化炉前阀门较多，阀门前后易造成紊流和撞击情况，氧气管线布置应符合氧气规范对“撞击工况”的相关规定，满足阀门前后直管段的要求，并宜选用弯曲半径大于1.5倍的长半径弯头。（4）操作过程生产操作中手动氧气阀的开启应缓慢进行，有小旁通阀的高压氧气阀门开启时，应先开小旁通阀，使阀后缓慢冲压，氧气阀前后压差≤0.3 MPa时再开启主氧气阀，避免造成绝热压缩，局部温度突然升高的情况。

*本文节选自《阀门 · 学术版》2023年第6期，文章内容不代表《阀门》立场，如有不同观点，可以留言讨论，友好交流，共同进步。

END

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