針對水煤漿工況條件下使用的偏心半球閥的結構進行了分析和研究，從偏心半球閥的耐磨性、密封面結構及閥門結構進行分析，闡述了偏心半球閥密封面材料配對形式的選擇及機械加工工藝要求。
一、前言
水煤漿是一種新型的潔凈液體燃料，是潔凈煤技術的重要組成部分。自問世以來以其具有的代油節能、高效燃燒和低污染等諸多優點備受各國企業的青睞，但是水煤漿在制造前后具有腐蝕性強、沖蝕強以及顆粒硬度高等特點。我國的水煤漿技術已完成了實驗室和工業性試驗階段，目前已在大中型電站鍋爐上成功應用，并取得了比較好的經濟效益和社會效益。
二、水煤漿系統中閥門失效分析
由于水煤漿系統工況條件比較惡劣，目前在水煤漿系統使用的閥門多以進口球閥居多，由于球閥是由旋塞閥演變而來的，它的啟閉件為一個球體，利用球體繞閥桿的軸線旋轉90°實現開啟和關閉的目的，在開啟和關閉的過程中，閥球和閥座密封面一直處于接觸狀態，在這種含有細粉顆粒的工作介質中，密封副之間無法避免會有顆粒物質進入，在頻繁啟閉時，密封副很可能會出現破壞現象，導致密封失效，甚至會出現閥球卡死現象。但是這種進口球閥昂貴，制造周期長，零配件供應不及時，維修不方便，一旦發生故障，可能會造成系統停車。根據工況要求和降低客戶運行成本，研制出了管線輸送水煤漿系統工況下使用的偏心半球閥。
三、偏心半球閥結構特點及工作原理
1、結構特點
根據水煤漿工況條件，適用于有腐蝕性、顆粒硬度高工況的新型硬密封偏心半球閥具有很多特點。
(1)耐腐蝕
能滿足石油化工等行業對腐蝕性能的特殊要求。
(2)雙向密封
能保證閥門的雙向密封，使閥門的密封性能提高，保證介質逆向流動的密封性能，為防止水煤漿倒流提供安全保障，同時為在線搶修提供可靠的保障。
(3)清洗方便
由于水煤漿是一種分別由質量分數為不到70%的煤粉、30%的水分以及另加不到1%的化學添加劑(分散劑和穩定劑)制備成的煤基液態燃料。在系統檢修停車時，停留在閥門和管道內的煤漿介質，極易沉積煤粉顆粒，這樣會導致閥門開車時，無法正常打開。因此在閥體上設有清洗口和排污口，此種結構設計對沖洗閥門防止啟閉卡死起到至關重要的作用。
(4)耐沖蝕
在密封副上不僅堆焊了具有耐蝕性、耐高溫、耐磨性能好的鈷基合金，密封面堆焊厚度t≥3mm，硬度≥55HRC，而且還在閥腔過流面上噴涂高耐磨性的WC，使得密封副和閥門過流表面硬度≥65HRC，這樣使得閥門具有更好的耐磨性和耐沖刷性能。偏心半球閥(見圖1)在全開位置具有低流阻，流阻系數幾乎為零。
圖1 偏心半球閥三維圖
采用Ansys有限元分析軟件，對半球閥開度為100%時進行了流體域的模擬分析，如圖2所示，最高速出現在進口處紅色部分，整體流道速度分布梯度較小，幾乎維持在中間區域，圖中數值與對應顏色比較得出過流比較順暢，流速分布較均勻，整個流態比較平穩，上下兩側幾乎成對稱態勢，整個流道內流速無明顯增加，壓力局部損失明顯減小。流場的最高流速沒有出現在閥座密封面處。閥瓣密封面處介質流速很低，這樣閥瓣的磨損較小，如果結合壓力分布圖分析，局部壓力梯度明顯減少。這種情況下流阻系數幾乎為零，便能很好地降低能耗。
2、工作原理
偏心半球閥的閥體和閥芯回轉中心(即閥桿軸線)與閥芯的密封球面的幾何中心偏置一個徑向尺寸e(見圖3)，還與閥座密封面在閥體通道軸線上有個偏置尺寸，偏心半球閥依靠兩個偏心實現自鎖關閉，偏心的合理選配使得自鎖角小于摩擦角，自鎖角選得太小關閉容易，開啟特困難，角度選大了，雖然開啟力小，但關閉力矩迅猛增加，經試驗臺的反復試驗，確定兩個搭配合理的偏心量至關重要，可靠的自鎖性能確保其密封嚴密。這是半球閥的核心技術，從結構原理通過制造手段來實現最佳密封效果。
四、密封面材料配對和加工工藝
密封副材料的配對的選擇直接關系到閥門的性能和使用壽命，根據機械加工工藝和熱處理條件。選擇閥瓣表面噴涂WC和閥座密封面堆焊司太立合金的形式比較理想。這種配對可以實現閥瓣的密封面的硬度大于閥座處的硬度，能滿足高溫高壓和頻繁開啟的應用場合。由于閥座密封面處堆焊司太立較厚，抗咬合性能較好。
零件的加工精度對密封可靠性的提高起到關鍵性作用，尤其是對閥瓣和閥座的加工顯得更加重要。閥瓣密封面處噴涂WC后需要有專用的研磨機磨削加工，閥座堆焊后采用數控機床加工成與閥瓣相同的SR值的圓弧曲面。當閥瓣和閥座密封面達到一定精度時，兩者進行配對研磨。
五、結語
上裝式偏心半球閥的密封性能、經濟性能和節能降耗性能與球閥相比較，*性已顯得十分突出。其整體結構緊湊，可以在線維修，閥瓣與閥座使用密封性好、密封壓力大。密封面間磨損小，使用壽命長，氣動或電動執行機構運動靈活，易于實現遠程控制和自動化(可直接進入DCS控制系統)，工作可靠，大大降低現場的勞動強度。
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