复合陶瓷控制阀的研制.pdf

文章编号 100225855 2006 0420031203 作者简介李小明1947 - ,男,上海市人,高级工程师,曾承担多项控制阀科技攻关课题,获多项专利。 复合陶瓷控制阀的研制 李小明1,张德友2,林 东2 1 1 上海工业自动化仪表研究所,上海 200233; 21 温州海米特阀门厂,浙江 温州 325055 摘要 分析了传统控制阀在多相流冲蚀腐蚀下失效机理,探讨了应用传统陶瓷的控制阀失效 原因,对比了传统陶瓷与复合陶瓷的性能;给出了复合陶瓷控制阀的研制过程。 关键词 复合陶瓷;阀门;多相流;冲蚀腐蚀 中图分类号 TH134 文献标识码 A Research and manufacture of composite ceramic matrix control valve LI Xiao2ming1, ZHANG De2you2, LIN Dong2 1 1Shanghai Institute of Process Automation Instrumentation , Shanghai 200233 , China ; 21Wenzhou Hightech Meter Valve Factory , Wenzhou 325055 , China Abstract Analyze why the traditional control valve is invalidation under the mixed phase flow ero2 sion ; Analyze why the application of the traditional ceramic material to control valve is invalidation , compared the perance between the traditional ceramic material and the composite ceramic matrix ; the composite ceramic matrix control valve resolve the defect that the traditional control valve can′t bear erosion. Key words composite ceramic matrix ; valve ; mixed phase flow ; erosion corrosion 1 引言 在煤粉化工、煤制油、矿浆萃取等工业控制流 程中,传统控制阀在多相流的冲蚀腐蚀下使用寿命 极短,已不再适应工况的要求。上个世纪末复合陶 瓷的研制和工业应用取得了突破性进展,国外各控 制阀公司先后开发出复合陶瓷控制阀。应用我国自 主研制的复合陶瓷开发的复合陶瓷控制阀,在工业 现场取得了良好的抗冲蚀腐蚀的效果。 2 传统控制阀失效的机理 211 多相流的冲蚀腐蚀 含固体粒子的多相流中,在粒子和流体交互作 用下,控制阀发生冲蚀腐蚀破坏。控制阀的破坏与 流体的腐蚀性、流速、粒子的大小和硬度,材料的 成分、耐腐蚀性和硬度,以及工况等因素有关。 非腐蚀性多相流对阀门的破坏是由粒子造成 的,与介质流速成正向关系。当流速低于临界速度 时,阀门破坏率低。当流速超过临界速度时,破坏 率快速上升,与流速成指函数关系,即破坏率ξ 为 ξ∝ vh 式中 v 介质流速, m/ s h 与流速相关的函数取h 2～ 5 其原因是低于临界流速时壁面上呈层流状态, 粒子的冲蚀有序而缓慢。高于临界速度时,壁面上 呈湍流状态,粒子的冲蚀呈涡旋无序而剧烈。如果 下游压力低于上游压力的1/ 2时,气固双相流中的 粒子以音速冲蚀的破坏率最为严重 〔1〕。 腐蚀性多相流,在离子的电化学的作用下临界 速度大幅下降,阀门的破坏率急剧上升。冲蚀与腐 蚀交互产生的破坏率远高于非腐蚀性多相流的粒子 的冲蚀破坏率与单相腐蚀性介质流的腐蚀破坏率的 简单相互叠加。图1为堆焊316L的阀瓣和阀座被 石灰乳冲蚀腐蚀的状况。 材料的抗气蚀能力与材料的硬度成指数关 系 〔2〕。高压差工况中 ,多相流的液体将空化,形 成气、液、固多相流,同时发生气蚀、粒子随气体 以音速冲蚀和液体电化学腐蚀。传统控制阀是无法 应用于这种极端严酷工况的 〔3〕, 例如在高压差煤 132006年第4期 阀 门 粉化工装置中O形球阀使用寿命极短,仅10多 天。在煤粉多相流的冲蚀腐蚀和气蚀作用下,球 体、阀座被损坏,阀体也被破毁图 2 。该球wsg 经喷涂处理,硬度达70HRC。 a1 阀瓣 b1 阀座 图1 石灰乳冲蚀腐蚀的阀瓣和阀座 图2 煤粉介质损坏的球体 212 O形球阀的失效 O形球阀的直通流道与管径相等,经常被用于 粉料、浆料的工业输送和控制。在启闭和控制过程 中,多相流经过O形球阀阀座两次节流,对球阀 产生两次冲蚀腐蚀。特别是经上游阀座节流的高速 多相流不仅对球体和阀座而且也对阀体壁产生冲蚀 腐蚀破坏,这就是阀体经常被破毁的原因。两个阀 座、球体与阀体间存在间隙,小开度时间隙中的流 速缓慢,关闭或全开时间隙中的介质不流动, 多相流中的粒子发生沉淀,以至“咬死”球体而失 效。因此O形球阀不适用于含固体颗粒的多相流 工业控制流程。 3 耐冲蚀腐蚀材质的选择和结构方案的确定 311 材质 传统的Al2O3陶瓷硬度高,几乎不受腐蚀,是 理想的抗冲蚀腐蚀材料,将其应用于控制阀已进行 了长期实践。但传统陶瓷脆而易碎,存在热胀系数 低,抗热震性差等缺陷,在温度激剧变化、流体高 频振荡的工况中,陶瓷部件极易碎裂 〔2〕, 限制了 其在控制阀上的应用。 从我国自主研制成功的多种复合陶瓷中,可以 选出两种适合控制阀的复合陶瓷,一种是Cr7C3基 复合陶瓷,主要成份为Cr7C3、Ni、Mo等;另一 种是Al2O3基复合陶瓷,主要成份为Al2O3、Ti N 1 C 和ZrO2等。从表1可知,两种复合陶瓷的 硬度与Al2O3陶瓷相当,而线胀系数、抗弯强度和 断裂韧度Cr7C3基复合陶瓷较好, Al2O3陶瓷较差, 这表明复合陶瓷抗脆裂性远高于Al2O3陶瓷。 Al2O3基复合陶瓷耐腐蚀性与传统的Al2O3陶瓷相 当, Cr7C3基复合陶瓷次之,但两种复合陶瓷的耐 腐蚀性都数十倍于Cr - 18系不锈钢。根据力学性 能和性价比,选择了Cr7C3基复合陶瓷。 表1 3种陶瓷的主要性能 性能 硬度 HRA 密度 g/ m 线胀 系数 10- 6k- 1 抗弯 强度 MPa 耐腐 蚀性 Cr7C3基复合陶瓷91157119151300良好 Al2O3基复合陶瓷924158700优 95 Al2O3陶瓷92153167300优 312 结构方案 多相介质的流道要求简单、流畅。虽然O形 球阀、V形球阀和偏心旋转阀都是直通流道,但O 形球阀不适用多相流。与V形球阀相比较,偏心 旋转阀具有适用于大压差,密封要求严密,高粘度 和带有颗粒介质的工况,以及可调比R达100 ,优 良的阀瓣阀座启闭特性,在很多工况中可以替代调 节阀 〔3〕。故偏心旋转阀是最佳的结构方案。 根据多相流不同于单相流的特性,在设计中优 化了流道 〔4〕, 最大限度地降低了多相流的冲蚀腐 蚀和避免了气蚀对阀体的破坏。采用了最佳性价比 耐冲蚀腐蚀的材料,并在阀体内壁喷涂复合陶瓷, 硬度高于70HRC。对于极端恶劣的工况,可在阀 体内镶嵌复合陶瓷内衬。图3为复合陶瓷阀瓣与阀 座对比,图4为电动复合陶瓷偏心旋转阀。对于特 殊要求的工况,直行程控制阀也可采用复合陶瓷阀 瓣和阀座,阀体内壁喷涂或镶嵌复合陶瓷的结构。 4 应用 411 偏心旋转阀 复合陶瓷偏心旋转阀样机已在煤粉化工、煤制 油等装置上运行了一年,至今状况良好图3、图 4 ,与国外同类产品性能相当,而售价低于其1/ 3。复合陶瓷偏心旋转阀在重油轻质裂化、结晶制 碱和矿浆萃取等行业得到了推广应用,目前已形成 23 阀 门 2006年第4期 PN116～613 MPa各公称压力等级的DN25～300 mm的系列产品。 a1 新阀瓣阀座 b1 使用一年后阀瓣阀座 图3 复合陶瓷阀瓣和阀座 图4 电动复合陶瓷偏心旋转阀 图5 复合陶瓷等百分比角型调节阀 412 调节阀 复合陶瓷不仅能应用于直流道角行程控制阀, 还可应用于直行程控制阀。为解决图1中石灰乳冲 蚀腐蚀阀瓣和阀座问题,设计了复合陶瓷角型调节 阀图5 ,并成功应用于石灰乳生产线,替代了 进口产品。复合陶瓷还能应用于传统合金材料无法 适应的恶劣工况,根据用户要求,开发的ANSI 2 500磅级高压复合陶瓷角型调节阀图6、图 7 已成功地应用到高压合成氨等装置上。 图6 复合陶瓷等百分比调节阀阀瓣和阀座 图7 高压复合陶瓷角型调节阀 5 结语 传统控制阀不适用于带固体粒子多相流冲蚀腐 蚀工况。应用耐冲蚀腐蚀的复合陶瓷研制的系列控 制阀,基本解决了长期困扰粉料和浆料工业控制流 程的难题。 参考文献 〔1〕 姜晓霞,李诗卓,李曙.金属的腐蚀磨损 〔M〕.北京化 学工业出版社, 2003. 〔2〕 刘银水,唐群国,李壮云.工程陶瓷在水压控制阀中的应用 〔J〕.阀门, 2005 , 2 . 〔3〕 吴国熙.调节阀使用与维修 〔M〕.北京化学工业出版社, 2003. 〔4〕 郑大琼,李书横,王念慎.火电厂用新型灰渣阀的水力计算 〔J〕.阀门, 2005 , 4 . 〔5〕 李荣久.陶瓷 金属复合材料 〔M〕.北京冶金工业出版 社, 2004. 〔6〕 孙康宁,严衍升,李爱民.金属间化合物/陶瓷基复合材料 〔M〕.北京机械工业出版社, 2003. 〔7〕 李江亚.特殊及难焊材料的焊接 〔M〕.北京化学工业出 版社, 2003. 〔8〕 管蓉,鲁德平,杨世芳.玻璃与陶瓷用胶黏剂及粘接技术 〔M〕.北京化学工业出版社, 2004. 收稿日期 20061051 08 332006年第4期 阀 门