大型循环流化床锅炉灰控阀故障分析及优化

大型循环流化床锅炉灰控阀故障分析及优化

甘政

（四川白马循环流化床示范电站有限责任公司641000）

摘要：灰控阀主要使用在大型循环流化床锅炉的回料器及排渣口。该设备使用温度900℃左右，工作环境恶劣。灰控阀设备整体运行可靠，性能较好，特别在排渣的安全性上远高于传统金属闸板阀，无阀体高温发红，法兰漏风等缺陷。但灰控阀运用上还存在一些问题，如阀杆长时间运行后裂纹，运行期间卡涩，停运后一段时间灰控阀堵灰渣等。神华四川白马电厂通过长期的数据累计及分析，对300MW及600MW循环流化床锅炉灰控阀问题进行相关的技术研究，并通过研究成果对该设备进行技术优化，取得了最新成果，为下一步超超临界循环流化床发电锅炉灰控阀在回料器、排渣系统可靠使用打下坚实的基础。

关健词：循环流化床；灰控阀；金属材料；裂纹；阀杆

引言

灰控阀是大型循环流化床锅炉上的关键设备之一，它工作可靠，特别是在炉膛排渣位置使用，能和浇筑耐火下渣管组合，完全消除下渣管发红、裂纹、断口等安全隐患。其中灰控阀在锅炉控制过热器温度和炉膛排渣控制使用效果来看，较为安全可靠。但灰控阀在长期工作中出现阀头开裂，阀杆裂纹，阀杆卡涩，炉膛内部燃烧流化不良引起排渣口堵塞等问题。近十年来，四川白马电厂，通过对灰控阀的研究及技术改造，大大提高了设备的可靠性。为600MW以上等级超超临界循环流化床在关键设备上可靠使用提供技术支持，对提高大型循环流化床可靠性具有现实意义。

灰控阀由阀头、阀杆、进渣（灰）进口、排渣（灰）出口、控制系统、密封系统、冷却系统等组成。

图1灰控阀结构图

1阀头裂纹

灰控阀阀头材料为ASTMA297Gr.HH，UNS钢号J93503，与我国ZG25Cr20Ni14耐热合金铸件类似。最高使用温度900℃，长期使用温度850℃【1】。通过长期采录循环流化床锅炉长期运行曲线，灰控阀内部工作环境温度均在900℃左右，有瞬时温度达到950℃的工况。

对裂纹后阀头的采样化学分析，裂口处的金属碳化物增多，合金元素迁移，固溶体和碳化物中合金元素含量、结构类型、分布形态变化，合金元素的固溶强化和沉淀强化的作用减弱，钢的热强性能降低。【2】裂纹造成阀门关闭不严，灰渣进入中空阀头内部，增大阀头对阀杆的载荷，使阀杆受外应力过大。

优化：

提高灰控阀阀头材料，使用ZG40Cr25Ni20Si2。最高使用温度1100℃，长期使用温度1050℃【3】。由于提高了碳含量，阀头的耐磨性增强，防止阀头局部冲刷减薄造成强度降低，应力变形。提高镍含量后，避免出现双向组织或出现不稳定的奥氏体组织。同时增加镍含量使阀头的抗氧化性能显著提升，在固溶体中的合金含量及化合物析出较少，延长了阀头的使用寿命。

2阀杆裂纹

灰控阀阀杆属于外伸梁结构，主要载荷集中在阀杆前部。采用直线轴承承受阀杆中部及后部自身重量，并引导阀杆运动方向。阀杆集中应力在阀头后0-300mm这段距离。

阀杆布置为水平方向，当进口灰渣向灰控阀流动时，阀杆下部受到灰渣的传热为辐射加热传导，而阀杆上部由于受到灰渣覆盖原因，以热传导为主。造成阀杆上下温度偏差较大。

同时炉膛工况变化时，下灰渣量也产生变化。引起阀杆处热负荷波动，阀头后部阀杆金属拉应力变化较大，产生了拉塑性变形。拉塑性变形和运行中的热应力疲劳交互，使阀杆表面产生热疲劳裂纹。裂纹起源于零件表面，萌生在热应变最大部位，即阀头后部，呈上下分布。

优化：

增加阀头与阀杆间的接触长度，使阀杆支撑阀头接触面变大，均布阀头载荷。同时在阀杆内部增加支撑十字环，让内外管之间的结合更为紧密，增加阀杆整体的刚性。改善阀杆材料为310S，提高阀杆自身的抗热疲劳能力。

另外为了保证外管在换热时的上下温差变化引起的阀杆内应力交变，在阀杆前部增加一层隔热材料或隔热套，使阀杆的换热量减少，同时提高阀杆的使用寿命和抗冲刷能力。

3阀杆卡涩

灰渣在正常排渣时，由于流化风及炉膛床压的作用，灰渣通过阀头后为伞状喷射形态。将细小灰渣送入阀杆与密封孔（轴封后部与耐火材料之间的圆孔）之间的间隙，长期堆积。堆积的细灰与空气或密封风之间的水分化合凝固，减小阀杆与密封孔间隙，活动受阻。

原有设计的阀杆密封均为汽封加盘根密封。汽封不能将密封孔中的细灰清理。

优化：

汽封部位采用螺旋喷射结构，螺旋喷射的原理：当外部密封风进入气封后，气流在机械螺旋槽的引导下呈旋转切向射流，由于气流不仅有向前的推力，还有能将周围细灰卷起带走的卷吸力，使密封孔处的细灰随同卷吸气流返回灰控阀大腔室。

这种结构与传统螺旋密封结构不同，在于增加喷射结构。通过外部气流在螺旋槽中产生正压旋转流场来代替传统螺旋密封中密封轴的角速度。

根据德国布恩态尓提出的螺旋密封计算公式【4】

从公式中可以看出，螺旋密封和密封轴的角速度有很大的关系。但是螺旋喷射汽封采用正压气体（一般为压缩空气）的旋转来代替角速度，本身阀杆不产生旋转。流体压力越大，角速度也就越大。加强了外部盘根密封的密封性同时，也提高了喷射时的旋转速度，使后部空腔室不产生积灰，防止阀杆卡涩。

4结焦后排渣

灰控阀是正压排渣结构，它不会通过灰渣的自流性而运动，需要内部的高压风将灰渣向外喷射。由于是正压排渣，当炉膛内部的燃烧不稳定，或劣质煤增多后，内部产生焦块后。大小焦块堆积到排灰渣口，一次风或流化风的动能不足以带动渣块向外流动，形成堵渣。

当炉膛内发生结焦或灰渣颗粒粘接时。灰控阀阀头进口部位渣流态会由沙丘流演变成栓塞流。栓塞流形成后，内部高温高压气流带少量飞灰向外涌出，造成疏通困难。栓塞流如继续恶化，就会产生灰控阀进渣口完全封闭堵塞，设备停运。

优化：

结焦后的排渣是灰控阀的优化难点。为了防止上述问题的产生，一是控制煤质，尽量少用或不用低熔点煤。二是安装位置要与炉膛呈直角布置，减少安装时的折角，减少局部阻力区。三是对灰控阀阀座进行改造，将圆环曲面阀座进口端曲面变陡，减少爬坡段，缩减阀口与炉膛排渣口之间的距离，减少排渣阻力。最后加强运行时炉膛内部流化，避免流化不良造成炉膛内结焦。

结论

灰控阀的运行正常与否，关系到大型循环流化床灰系统及底渣系统的运行状况好坏，也是炉内脱硫控制的一项关键设备。文中分析的上述故障是近年来灰控阀使用问题的难点和重点，从侧面影响了灰控阀在大型流化床锅炉上使用。通过白马电厂对上述设备的优化使用状况来看，灰控阀使用寿命得到了延长，使用性能安全可靠。对比传统的闸板阀具有不可替代的优势。特别在超超临界的循环流化床锅炉的研究使用上，更具积极意义。

参考文献:

[1][ASTMA297/A297M-2010][M]．AmericanSocietyofTestingMaterials?.2010:2-3．

[2]姜求志王金瑞火力发电厂金属材料手册[M]．中国电力出版社，2009:45．

[3][一般用途耐热钢和合金铸件GB/T8492-2002][M]．中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.2002:4．