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  • 高温高压氧气球阀的设计
    发布日期: 2018-11-5

    0 引言

    氧气切断阀广泛应用于进口技术GE(德士古)炉、壳牌炉、兖矿四喷嘴水煤浆气化炉和国产技术航天炉。在氧气输送管路或氮气吹扫管路上起到快速切断的作用。由于介质是氧气,其本身具有助燃性,阀门一旦发生泄漏,很容易引起燃烧,甚至爆炸。所以,防静电性能是氧气阀门稳定运行的重要保证。除此之外,对氧气阀门的密封性能、开关时间、材料选择和使用寿命等都有非常严格的要求。

    现场工况及阀门参数

    以典型的GE气化炉流程中用到的氧气切断阀为例。其安装位置及现场工况参数如图1所示。

    1 GE炉氧气切断球阀位置示意

    1 现场工况参数

    氧气切断阀及相关高压氮切断阀受气化炉安全连锁的控制,在开车时,通过开车程序打开或关闭相关切断阀。停车或故障时,自动切断进气化炉氧气管线,并放空,然后用高压氮气吹扫和保护氧气管线。

    2 阀门设计

    2.1 设计标准

    阀门的压力-温度等级参考ASMEB16.34《法兰、螺纹和焊连接的阀门》;阀门的结构长度参考ASMEB16.10《阀门结构长度》;阀门的试验参考API598《阀门的检查和试验》。

    2.2 材料选择

    氧阀的材料选择很重要,要依据其工作温度、工作压力和介质特性进行选择。当氧气在高纯度高压力时,为了提高氧阀的抗阻燃效果,阀门的主体材料应选用安全等级更高的镍基合金。

    1)阀体与上阀盖:选用镍铬钼合金。该合金耐各种苛刻的腐蚀环境,在大约500°C高温应用时,仍具有高的强度和抗蠕变断裂性能。

    2)阀杆与底轴材质:选用可时效硬化奥氏体合金。该合金兼有耐蚀性和高的强度,在700°C下具有优秀的抗蠕变断裂强度。

    3)球芯与阀座材质:基材选用镍铬钼合金,在其表面喷焊镍基自熔性合金。喷焊不同牌号的镍基合金,使球芯和阀座之间存在一个硬度差,这样可以保证阀门动作流畅,避免卡死。

    2.3 结构设计

    2.3.1 整体结构设计

    GE气化炉流程中的氧气切断球阀全关时压力降5.5MPa,操作温度465℃。考虑其压差大、温度高的特点,特采用下图所示结构设计。

    2 阀门总装结构图

    2.3.2 设计难点及关键问题

    氧阀要实现长期安全而又能稳定使用的目标,就必须要解决以下四大问题:(1)静电;(2)阀门内漏;(3)阀门外漏;(4)阀门卡涩,开关不畅。

    1)防静电设计

    主要注意以下问题:

    ①零件设计:阀体流道光整加工,阀体内腔尽量圆滑过渡,阀座等零部件不能出现尖角,不能设计刮刀。阀内件表面的光洁度要达到ISO85011Sa2的要求。

    ②阀体法兰设计防静电螺纹孔,采用外接线接地,防止静电的产生。

    2)阀门内漏

    氧阀是在高温、高压环境中使用,其开启压差很大,再加上经脱脂和干燥后,密封面摩擦系数相比普通密封面成倍增加,导致摩擦力增大。在这种苛刻的条件下,要保证阀门无内漏,需从以下几个方面设计:

    ①密封副的喷焊材料搭配:在现场使用时,球芯与阀座之间是干摩擦,一旦硬质合金涂层出现黏结,阀门开关时就会造成密封面拉伤。通过大量的密封副材料配比试验,挑选出了具有抗黏结性、抗氧化性、良好导热性的氧阀专用材料。

    ②弹簧预紧力与阀座密封环预压缩量之间的关系:选用蝶形弹簧。碟形弹簧提供的预紧力一方面在低压情况下让阀座与球芯紧密贴合,实现密封;另一方面挤压石墨环使其膨胀,两者结合,保证阀门密封的同时又不卡死。经过大量实验,采用定量压缩技术,严格控制压缩量。

    ③阀腔压力自泄放结构:当阀门处在全关位置时,阀体、阀座和球芯构成封闭空间(也称中腔)。中腔的介质作用在阀座上存在环形面积差S1,压强P1。阀后的介质作用在阀座上也存在环形面积差S2,压强P2。阀座承受弹簧预紧力F。当中腔介质压力P1上升到一定值时,即P1*S1>(P2*S2+F)时,弹簧将被压缩,阀座与球芯分离,中腔的高压介质通过球芯与阀座之间的间隙泄放,实现压力自泄放。

    3)阀门外漏

    氧气一旦外漏,后果是非常严重的,高速冲出来的氧气很容易在泄漏处产生局部热聚集效应,进而形成明火甚至爆炸。

    目前进口氧阀普遍采用阀杆承受球体传递介质力的设计,容易导致阀杆产生偏斜,在使用一段时间后,填料将会被挤压变形,造成泄漏。为解决这个问题,需做以下设计:

    ①动载压板设计:填料压板螺栓处安装碟形弹簧,为填料组件提供持续加载力,保证阀杆和填料之间持久紧密密封,从而保证填料泄漏等级满足TALuft环保标准。

    ②采用双轴承设计和轴承腔自密封技术,解决阀门在启闭过程中因阀杆偏移引起的泄漏问题。

    4)阀门卡涩,开关不畅

    氧阀的卡涩、开关不畅的原因是多方面的,主要包括三类:(1)执行机构选型问题;(2)阀杆和轴承的设计和处理工艺不过关;(3)球芯和阀座喷涂层选材不当。一般大部分原因为后两者。

    ①阀杆与轴承在开关的过程中容易出现黏结,咬伤,将导致阀门无法开关。针对此情况,采用双轴承并作硬化处理工艺,克服高温高压和纯粹干摩擦情况下金属粘结的问题。

    ②球芯与阀座喷焊氧阀专用材料,同时阀座密封面不能设计过宽,整个阀座的长度不能太长,避免阀门开关过程中出现阀座异位而卡住球芯。

    2.4 计算校核

    对于氧气切断球阀的设计计算可以采用传统的经验公式计算法和有限元分析法相结合进行。

    2.4.1 经验公式计算法

    氧气切断球阀设计参数如表2所示,其计算项目及经验公式可根据表3进行。

    2 氧阀设计参数

    3 计算项目及公式

    2.4.2 有限元分析法

    随着研发水平的不断提高,引入计算机仿真将加快新产品开发周期,节省物理实验成本,提升产品可靠性。因此,采用有限元仿真模拟方法对重要零部件(阀体、阀盖等承压件)及整机进行验证。主要做以下分析:

    1)左右阀体连接螺栓强度;

    2)左右阀体壁厚;

    3)高温下上阀盖温度分布;

    4)阀杆连接处强度。

    3 左右阀体连接螺栓强度

    4 左右阀体壁厚

    5 高温下上阀盖温度分布

    6 阀杆连接处强度

    传统经验公式计算法和有限元分析法相结合,不仅可以得到精确可靠的设计数据,还可以对初步设计结果进行校核和优化。

    3 结语

    应用于高温高压条件下的氧气切断球阀,在整个化工装置的正常运行中发挥着关键作用。近年来,国内阀门厂商已经逐步掌握了氧阀设计和制造的核心技术。这也为实现氧阀的国产化奠定了基础。硬密封氧气球阀的国产化将为国内众多化工企业节省大量投资成本。更为重要的是,经过实践检验的国产氧阀将成为化工装置中长治久安的有力保障。

     

     

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