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    1. 工会活动
      美国依洛克(YLOK)阀门中国区一级代理商
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      高压加氢装置阀门设计要求
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      高压加氢装置阀门设计要求

      * 来源 : http://www.aotc.tw * 作者 : 美国YLOK阀门 * 发表时间 : 2018-11-23 * 浏览 : 7

      1 概述

      高压加氢工艺是石油深加工的一个重要手段,它不仅能提高单位原油的轻油收回率。而且能提高燃料油的质量,从而提高炼油厂的整体效益。高压加氢装置还能为石油化工装置提供优质的原料,也是油品脱硫的理想装置。我国从 90 年代开始了高压加氢装置的建设,预计今后的几年中,随着我国炼外油量的逐年增多,高压加氢装置的建设仍将是石化行业的一大热点,各大石化企业也都想藉此提高其炼油的水平和能力,以迎接加入 WTO 的挑战。

      2 工况条件

      高压加氢装置的介质环境有 2 个突出的特点,即高压和临氢(并伴随硫化氢)操作。

      高压操作不仅仅是因为其操作压力高(一般为 14-20 MPa),而?#19968;?#22312;于其介质为易?#23478;?#29190;的高压气体(氢气或油气+氢气)。高压气体储存了较大的压力能.一旦其储输设备(包括管道阀门)损坏,引起的事故将是灾难性的。

      临氢并伴随硫化氢操作。表明了?#28304;?#36755;设备材料的?#37327;?#35201;求。氢气是一种能渗透到金属材料内部并在常温或高温下引起材料变性(恶化)的介质,常温下能引起金属材料的脆化和变形等,高温下能导致金属材料内部和外?#23458;?#30899;。硫化氢对金属材料的腐蚀也是一个十分棘手的问题,常温?#28388;?#33021;引起许多金属材料的应力腐蚀开裂,高温?#28388;?#33021;引起金属材料的快速均匀腐蚀。所有的这些特点?#32423;?#39640;压加氢阀门的材料、结构设计和强度设计等提出?#25628;?#26684;的要求。

      3 需求情况

      高压加氢装置中的阀门,既有临氢条件,又有非临氢条件,既有高压条件,又有非高压条件。本文仅?#33268;?#39640;压临氢条件下应用的阀门,这类阀门虽然数量不多,但其价格却?#21152;?#36739;大的比例。此类阀门有闸阀、截止阀、止回阀、球阎和旋塞阀,压力等级为 ASME CL900~2500,温度为常温至 400℃,主体材料有 ASTMA105A182F11/F22/F321A216WCBA217WC6WC9A351CF8C,阀门?#26412;?#20026; DN15-400 mm。这些阀门的功能与普通阀门相同,但国内目前尚不具备成套供应的能力,主要原因在于阀门制造厂与用户(尤其是工程设计部门)沟通联系不够,不了解阀门的使用条件和要求,缺少一套与介质条件相适应的?#38469;?#25991;件、模具和图纸等,而且缺步工业化批量生产的经验。

      开发高压加氢装置中的阀门,不仅能降低阀门价格。而且可减少供货周期,方便补充订货,同时又能推动阀门行业的发展。事实上,我国目前一些阀门制造厂已具备生产高压加氢阀门的能力和条件,而且在加氢精制装置(操作压力 8~10 MPa)上已有成功的应用。

      性能良好的阀门,其设计、制造、检查试验及质量控制等各个方面?#36879;?#20010;环节都做的比较好。本文以其中的几个主要问题(包括阀门的内漏、外潺、强度设计、材料、检查试验及质量控制),结合高压加氡装置的介质条件进行探讨。

      4 内漏和外漏的控制

      阀门内漏和外漏控制的好坏是?#20174;?#38400;门品质的一个重要参数,制造厂均采取各种措施以尽量减少阀门的内漏和外漏。油品和氢气的外漏和内漏不仅会污染环境,还易引起火灾或爆炸。阀门的内漏主要发生在闸板处,外漏主要发生在阀杆填料和阀盖垫片处,故要获得良好的密封性能就要从这 3 处着手。

      4.1 填料密封外漏

      DN 50mm 的闸阀和截止阀,在阀杆密封处采用柔性石墨?#27867;?#26580;性石墨编织填料是国外翻造厂的普遍做法。其中填料的最?#20808;?#21644;最下圈采用柔性石墨编织环,以利用其强度较高(与模压石墨环相比)的特点阻止石墨被挤入阀腔或阎外,中间则采用模压石墨环(有时也在中间适当的位置增设编织环)。由于柔性石墨的流动性好,有减磨性,同时石墨还具有良好的物理和化学稳定性,因此用它作为填料既可获得良好的密封,又可减少对阀杆的磨损。对于填料函尺寸较小的球阀、旋塞阀和小口径的闸阀和截止阀,则仅用柔性石墨编织填料即可。

      填?#26174;?#35013;填过程中进?#24615;?#21387;缩也是保证良好密封(尤其是长期良好密封)的措旋之一。国内的阀门在填料装填过程中大多数仅限于压实填料,故其密封性随应用时间增长而变差。国外某些?#32622;?#20135;品在填料装填过程中采用了 28 MPa 的预压力,且设计了专用的预压缩工具,因此它能维持较长时间的良好密封。当然,填料的预压力太大,将增加对阀杆的磨损,增加阀门的开启力,因此此时应在填料选择和阀杆表面处理上进行改进。采用以柔性石墨环为主的填料可减少阀杆的磨损,同时也可降低阀门的开启扭矩。

      还有一些阀门在填料压盖处采用了“活载”结构。即在填料压盖的螺栓?#26174;?#35774;碟簧,使填料压盖始终作用于填料上较大的压力,从而可防止因压?#27714;?#26643;松弛或填料松弛而造成的外漏。

      4.2 垫片密封外漏

      DN 50mm 的闸阀、截止阀和止回阀,可采用压力密封阀盖。而对于球阀、旋塞阀(多为下阀盖)和 DN 40mm 的闸阔、截止阀和止回阀,一般采用法兰连接阀盖。压力密封阔盖的密封有 2 处,其一为阈盖与环垫片(图 1)的接触处,其二为环垫片与阀体的接触处。国外的一些阀门产品,将环垫片与阀盖的接触面设计成变角?#20173;不?#36807;渡面,使它与阀盖的密封为线密封,从而显著提高了其严密性,但它增加了环垫片的加工难度。还有将环垫片表面及相应的阀体密封面镀上一层银,因为银的塑性较好,容易填充密封面上的微观孔隙,因此大大提高了阀盖垫片处的密封性能。

      对于法兰连接阀盖结构,大多数制造商采用了缠绕?#38477;?#29255;,因为缠绕?#38477;?#29255;弹性好,回弹率高,在保证稳定性的情况下更容易保证密封。与缠绕?#38477;?#29255;相配的阀盖密封采用了箱式结构,即将垫片置于阀盖与阀体相接的特制槽内,从而保证了缠绕?#38477;?#29255;的稳定性(即不会因较大的密封比压而?#27807;?#29255;失稳),同时又增加了介质泄漏的阻力。事实证明,这样的密封结构比较好。

      4.3内漏

      ①闸阀

      国内外各制造厂的闸板结构设计上无太大的差别,一般 DN 40mm 的闸阀采用楔形整体闸板,而 DN 50mm 的闸阀则采?#26377;?#26964;形闸板。只要密封面加工精度达到要求,这种结构可以满足初期密封要求。但使用者希望阀门能够保持长久的良好密封。一般情况下,初期密封容易做到,而要做到长期密封良好则是一件不容易的事情。这里给出 2 个改进倒子供参考。其一是努力提高闸板导轨的精度,使它与闸板保持较小的配合间隙,以减少闸板与阀座的不均匀磨损,从而保证较长的密封寿命。导轨一般是与阀体整体铸造的,而?#20063;?#23481;易进行机加工,故与闸板的配合间隙较大,建议制造厂给予这方面的关注。其二是考虑闸板和阀座下部的腐蚀。因为当阀门处于半开半关的位置时,会形成高速的介质流,它将对介质流经的区域产生严重的冲刷,又由于硫化氢与金属的腐蚀产物附着力很低,极易被高速介质冲走,从而加速了金属的腐蚀,即形成冲刷腐蚀。防止冲刷腐蚀的措施可从选择良好的材料入手,即在相应的部位上堆焊合适的硬质合金材料。一些制造厂除了在密封面上堆焊硬质合金外,还在闸板和阀座的下部一定?#27573;?#20869;也堆焊了硬质合金,以防止非密封面的冲刷腐蚀,这样做虽与阀门的密封性关系不大,但对阀门整体来说有益。

      ②截止阀

      首先要保证阀瓣与阀座的加工精度以获得一个良好的初期密封。在防冲刷腐蚀方面,国外某制造商采用了阶梯式阀瓣结构(图 2),即在阀门开启或关闭的过程中,阀瓣上的非密封台阶首先形成较小的流道,以承受冲刷腐蚀,而阀瓣和阀座的密封面则不再直接承受冲刷腐蚀,或缓解了其冲刷腐蚀的程度。

      ③球阀

      应采用偏心或其他无摩擦的球体结构及金属对金属的密封形式。这是因为该结构密封可靠性高,火灾安全性好,无摩擦,?#26144;?#20102;阀门的有效寿命。

      ④旋塞阀

      国外一般采用倒锥形平衡式阀芯(即旋塞)结构(图 3)。一般 CL 300 等级采用机械平衡式结构,CL 600 等级采用压力平衡式结构,既能保证良好的密封,又可减少密封面金属的磨损。国外某制造厂则在此基础上对旋塞进行了喷塑处理,从而节省了定期注密封剂的维护工作量。

      1.阀体;2.旋塞

      5 阀门强度设计

      阀门的承压部件?#21152;?#36827;行强度分析和强度设计,这些部件主要包括阀体、阀盖、闸板和阀盖螺栓等。对截止阀来说,有时(根据结构不同)?#34892;?#23545;阀座局部进行强度枝核。而作为非承压部件的阀杆也是必须进行强度设计的一个重要部件。所谓的强度设计应包括强度?#36879;?#24230; 2 部分。

      国外一些主要的阀门规?#24230;?/span> ANSIB16.34 API600 ?#20960;?#20986;了阀门主要零部件的最小壁厚(?#26412;叮?#22269;内的一些制造厂都直接采用(或?#28304;?#20110;)这些规范值作为设计尺寸,并?#20063;?#20877;进行强度设计。这样做是不严格的,因为①阀门的内件结构不同,阀上腔的结构尺寸不同,因此其计算壁厚也不同。阀门的外观结构尤其是外形突变处的处理不同,其计算应力值尤其是应力集中的水平也不同,最?#25214;?#21487;能导致计算壁厚不同。②大多数阀体为铸件,而冶炼条件较差,原材料来源复杂的阀门厂,其铸件材料的性能差别较大。铸件材料的性能又与其本身的铸造缺陷(如偏析、枝晶组织、?#24615;印?#27668;孔、疏松和裂纹等)有关,而且起伏变化较大,从而造成强度计算的基础数据(如许用应用)的差异较大。③不同的应用环境,其腐蚀情况不同,应考虑的腐蚀裕量不同。由于这些因素的影响,对于高压临氢阀门来说,对其有关的零部件进行强度和/或刚度计算就显得十分必要,因为稍有差错,可能会带来严重的后果。

      目前国内大多数阀门厂均采用数学分析法进行阀门的强度和/或刚度计算。这种方法?#30830;?#21147;?#22336;?#26102;,计算精度也比较差,尤其是对于零部件的形状突变处,它不能精确地求出其应力水平。而国外的大多数阀门厂都采用了有限元分析法,它既快又精确。对于高压且要求?#37327;?#30340;阀门来说,采用有限元法进行零部件的强度和/或刚度分析是必要的。

      6 材料

      高压加氢装置的操作条件不仅对材料的可靠性有较高的要求,而且其介质(如氢气和硫化氢)本身对材料性质也有较高的要求,即介质对材料本身存在的缺陷比较敏?#23567;?#22914;果材料中有非金属?#24615;印⒓性?#27668;孔、裂纹等不连续缺陷,容易导致氢气的积聚,常温下会因其形成的局部高压而引起氢变形,甚至诱发微裂纹,同时也会使材料脆性恶化(氢脆)。高温下,这些缺陷更利于氢致内?#23458;?#30899;的进行,从而加快材料氢腐蚀破裂的进程。而硫化氢介?#35797;?#23545;材料的外部不连续缺陷比较敏感,尤其是在湿硫化氢环境下,外部的不连续缺陷往往成为应力腐蚀开裂的?#25214;頡?#22240;此,减少或限翻阀门承压部件中的缺陷是保证其可靠性,?#26144;?#20854;使用寿命的关键因素之一。

      阀门承压部件的制造方法有铸造和锻造 2 种。锻造件不存在气孔、疏松、大尺寸圆形?#24615;印?#26609;状组织和枝晶组织等缺陷,而且金属致密,综合机械性能好,可靠性高,因此锻造是嗣造高压加氢阿门承压部件的理想方法。但考虑到大多数承压部件的外形比较复杂,而且它们中有很多超过了一般模锻的尺寸,故国内外大多数阀门厂对于 DN50 mm 阀门的主要承压部件仍采用铸件。为了保证铸件质量,应从冶炼、铸造工艺和焊补 3 个主要方面进行控嗣。冶炼对材料品质的影响是最基础的影响因素。不同的冶炼方法,得到的材料品质差别也比较大。目前国内阀门厂普遍采用电炉冶炼,而国外的大多数阀门厂则采用 VOD AOD 冶炼方法。VODAOD 与电炉冶炼相比,其有益合金元素烧损少,材料成分更容易接近理想状态,而且脱气性好,有害?#21448;试?#32032;少,故获得的材料品质也就比较高。铸造工艺是影响材料性能的关键因素,它涉及到了铸膜材料选择、木模外模型涉及、浇铸温度控制和浇铸方法选择等方面。总之,有利于改善铸件质量的铸造工艺如精密铸造、压力铸造和真?#25112;?#38136;等应作为阀门制造厂今后的发展方向。

      焊朴是处理铸件缺陷的一种补?#21364;?#26045;。大多数铸件?#38469;?#38656;要焊补修理的,如果缺陷超标?#36879;?#20104;报?#24076;?#23558;会增加阀门的生产成本。但每个阀门的焊朴数量、焊补面积和焊朴次数等应有限制,因为焊补区的金属不同于铸造金属,焊补数量越多,焊补面积越大,造成铸造金属的不均匀性越严重,从而导致材料的综合性能下降。每次焊补都相当于给铸件一次加热,而多次?#28798;?#20214;加热会给它带来一系列不利的影响,故阀门的焊补次数也应有所限制。ASTM 规范中?#28798;?#36896;材料的焊补提出了一定的要求,但其要求偏低,国外大多效阀门制造商的铸件焊补控制水平均比 ASTM 规定的严格。实际上,铸件焊补的控制还?#20174;?#20102;铸件材料的质量与生产成本之间的平衡关系,因此关键还是要提高铸件的铸造质量,尽量减少铸造缺陷。

      7 检查与试验

      阀门的强度(水压)试验、密封试验及必要的无损探伤是衡量阀门是否合格的必要条件,但井不是衡量一个阀门好坏的充分条件,至少对高压加氢阀门来说,它们尚不能完全?#20174;?#19968;个阀门的综合品质。以阀门的密封为例,一般情况下,只要保证密封件的机加工精度,就容易通过冷态下的工厂密封试验,但它并不代表阀门在长期使用(尤其是在高温、高压工作工况)条件下也能保持良好的密封。一旦阀门部件出现磨损、腐蚀、应力松弛、变形和材料变性等问题。将会影响到阀门的密封性能,严重时会使密封失效。而部件金属组织的稳定性和均匀性、部件结构造成的局部应力水平等,都会从?#25345;?#31243;度上影响到材料的腐蚀、应力松弛、变形和变性等问题。而材料的这些问题?#38469;?#26080;损探伤和冷态下的压力试验无法检查的。

      对于一般介质上应用的中低压阀门来说,上述的问题可能不存在或者不突出,而对高压临氢条件下应用的阀门,这些问题将是不可忽略的。因此,对高压临氢用阀门。应对其进行全方位的检查试验。由于阀门承压零部件的材料品质(尤其是铸件材料)对阀门的使用寿命影响较大。?#31034;?#25215;压铸件的检查试验作进一步?#33268;邸?/span>

      铸件材料的品质主要取决于其生产过程(如冶炼工艺、制造工艺等),而对其产品进行的各种检查试验仅仅是对其品质考核的一种手段,它并不能改变材料的品质。因此,阀门零部件在开始工业生产前进行系统的、科学的工艺评定就显得尤为重要。而工艺评定中的质量定位?#31181;?#25509;决定了材料(产品)的品质。结台高压加氢装置的介质特点,在此提出其主要承压零部件在工业生产前应进行的工艺评定项目。

      ①外观检查 应按 MSSSP-55 所列项目逐项检查。

      ②化学成分分析 包括炉前分析和产品分析,尤其应关注有害?#21448;试?#32032;(如硫、磷、砷、锑、氢和氨等)的分析。化学成分分析应按相应的 ASTM 标准进行。

      ③机械性能试验 包括拉伸试验(同时测试出拉伸强度、屈服强度、?#30001;?#29575;和截面收缩率,并进行断口分析)、弯曲试验、冲击试验和硬?#29123;?#39564;等。机械性能试验应按相应的 ASTM 标准进行。

       

      ④宏观组织检验 包括气孔、裂纹、疏松、央渣、大尺寸非金属?#24615;?#29289;、硫磷偏析等缺陷的检验。检验按 ASTME381 等标准进行。

      ⑤微观组织检查 包括偏析、条(桂)状组织、枝晶组织、晶粒度、小尺寸非金属?#24615;?#29289;等缺陷的检验。对?#29575;?#20307;材料,还应包括铁索体含量的测定。检验按 ASTME38l/E45/E112 等标准进行。

      ⑥无损检查 包括 RTUTMTPT 等检查。并给出适宜的合格指标和合格率控制指标。无损检查宜分别按 MSSSP54ASTMA388ASTMAA275ASTMB165Practice B)标准经行。

      ⑦晶问腐?#35789;?#39564; 仅对?#29575;?#20307;不锈钢材料才有此要求。试按 ASTME262Practice E)标准进行。

      ⑧?#38468;有?#33021;试验 包括拉伸、弯曲、冲击、硬度和无损探伤检验。

      ⑨阀体爆破试验 液体爆破试验按 ANSTB31.2 标准进行。在满足一定控制指标的情况下,通过工艺评定而确定的工艺参数才能作为生产参数,并在工业生产中严格执行,才能获得满足高压临氢应用条件的高品质阀门。

      8 质量控制

      国产阀门的质量问题更多的是出现在管理上。因为中国的众多制造业者在产品制造的每个工序上并不是?#21152;?#19968;个具体的、详尽的而且切实可行的作业规程,?#35789;?#26377;了这样一个规程,也不能保证每个工作人员都不折不扣的接规程作业。正因为如此,才导致了许多国产产品的质量不如国外产品。目前,国内大多数阀门厂,都取得了 ISO9000 的质量认证,它从?#25345;?#31243;度上强化了阀门生产过程的质量管理。但是,还要重视?#38469;?#25991;件的建立,因为产品的先进与否主要取决于?#38469;?#25991;件的先进性。

      9 结语

      影响阀门质量的因素较多,要生产出高品质的阀门,必须在各个方面?#23478;?#20570;好。时值信息时代,阀门制造厂也应走出去,多与外界进行交流,与用户(包括工程设计部门)进行交流。了解产品需要,了解阀门的使用介质工况,只有这样,才能生产出适合的产品,才能赢得市场。与国外阀门生产商交流。可以了解先进?#38469;?#21644;新产品,并用于改进我们的产品。

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