近年來，新型陶瓷復合材料在石油及化工等領域得到了廣泛的應用，尤其在高磨損、強腐蝕、高溫及高壓等惡劣工況，陶瓷閥門具有其特殊的適用性能。如煤制烯烴的黑水二段閃蒸工藝中，采用陶瓷球閥對黑水進行調節。但是閥門在使用過程中出現了一些問題，通過對陶瓷球閥的結構分析和改進，使其滿足了現場工況系統的要求。

    2 技術參數

    公稱壓力  150Lb

    公稱通徑  150mm

    進口壓力  0.043MPa

    出口壓力  －0.058MPa

    閥門關閉壓差  0.35MPa

    最大流速  867m/s

    蒸汽壓力  0.021MPa

    臨界壓力  22.064MPa

    適用介質  黑水

    3 結構分析

    在煤化工黑水二段閃蒸工藝系統中，應根據工況系統開、停車的極端工況和正常黑水調節工況下流體綜合因素設計和選用閥門的參數和結構。由于流體在閥前的操作壓力已接近飽和蒸汽壓，經過閥門減壓后會出現閃蒸現象，且含固體顆粒。為減少介質對流通通路的沖蝕，應控制閥門出口介質的流速。因此，閥門應分段減壓，一段是閥瓣（球體）、閥座，另一段是孔板組件。整個閥門流體通路均為陶瓷組件，具有抗含固流體沖蝕作用（圖1）。

1.閥體內襯2.入口閥體內襯3.入口閥座

4.出口閥座5.球體6.節流孔板A7.節流孔板B

圖1 黑水用陶瓷調節球閥

    入口閥座的流道口為長條形開口，介質流經閥座時，通過改變球體與閥座的接觸面積調節流量。出口閥座是在密封面里面均勻設置小孔。當介質經球體進入出口閥座并經均布的小孔流出時，對介質起到減壓和降低流速的作用。閥內件材料見表1。

表1 原陶瓷球閥內件材料

    孔板組件由節流孔板A、長度為L₁的管道、節流孔板B和長度為L₂的管道組成。通過出口閥座節流的介質首先經過節流孔板A，然后進入到長度為L₁的管道中，孔板的尺寸及管道內徑的尺寸有相對擴大的趨勢，因此流經介質的壓力將有減小的趨勢，對介質起到減壓的作用，另外較長管道對介質也有穩流作用。同樣的，當介質通過節流孔板B對其進行節流減壓后再進入長度為L₂的管道中，介質將得到進一步的減壓和穩流。

    4 改進方案

    陶瓷球閥在使用過程中主要存在閥體襯套碎裂和球體邊緣吹壞（圖2）、閥座開裂和節流孔板B有堵渣等現象。

（a）閥體襯套碎裂（b）球體邊緣損壞

圖2 陶瓷球閥受損狀況

    針對閥后節流孔板的堵渣現象，為了滿足現場的工藝要求對孔板進行適當的擴孔處理，避免了節流孔板的堵渣現象。系統介質為黑水液固兩相流，經過閥門節流減壓后的介質最大流速可控制到60m/s以下。由于對節流孔板進行了擴孔，經閥門節流孔板后的介質流速要大于60m/s，流速增加對節流零部件的沖蝕更加嚴重，因此需選擇節流零部件耐沖刷性能及綜合力學性能更好的材料。

    由于閥門啟閉或小開度時，閥體襯套受到介質從正面的高速直接沖擊，同時球體和閥座也受到不同程度的沖擊和沖蝕，閥門的內件材料即要有一定的耐磨性，又要有較好的韌性。另外，節流孔板也起到節流和減壓的作用，受沖刷也較嚴重，因此需要重新選擇適合的材料（表2）。陶瓷材料的力學性能對比如表3。

表2 改進后陶瓷球閥內件材料

表3 陶瓷材料的力學性能

    根據表2和表3分析，SiC硬度高，具有高耐磨損和耐沖刷性能，機械加工性能好，但韌性較差。氧化鋯增韌氧化鋁陶瓷硬度及韌性相對較平均，具有耐磨損、質量輕和成本低等特點。WC金屬陶瓷的耐磨性不如SiC，但其硬度差別不大。WC金屬陶瓷的抗彎強度和抗壓強度高于SiC和氧化鋯增韌氧化鋁陶瓷且綜合機械性能較好，缺點是其密度大且價格昂貴。

    在閥門開關的瞬間及小開度工作的情況下，閥門內件及閥體陶瓷襯套受到較大的沖擊，因此需要選擇硬度及抗彎強度和抗壓強度等綜合性能更好的WC金屬陶瓷。孔板組件主要起到節流和減壓的作用，也受較大的磨損和一定的沖擊，因此選用耐磨性和韌性均較好的氧化鋯增韌氧化鋁陶瓷復合陶瓷。

    5 結語

    陶瓷球閥采用分段減壓結構后，可有效地緩解介質對閥門內件的沖刷和控制系統中介質的流速。另外，采用新型復合陶瓷結構材料制作閥內件提高了閥門產品的耐沖刷性和抗沖擊性能，大大延長了閥門的使用壽命。根據各個部位零部件工況的不同，選用更合理的材料，既節約產品的成本，又能達到預期的使用目標。經過改進的陶瓷球閥在某煤化工企業應用已超過2年，使用效果良好。