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黄美林，吴怀敏，王忠渊，项光洪，章苗苗，黄家巧，章魁胜，雷洪，谷辽勇，邵连通（浙江石化阀门有限机构） 摘要 介绍了一种苛刻工况用高温高压耐磨球阀的设计制造要点，特殊加工工艺及冷热交变循环实验的设备和程序，为高端阀门的国产化供给借鉴。
01 概述
在渣油、重油等劣质原油的加工过程中，因为其不仅黏度大况且含硫高，需采用特殊工艺安装才可保持汽油的辛烷值。沸腾床加氢、浆态床加氢、悬浮床加氢等是冶炼重质、劣质油的特殊工艺安装，其中沸腾床加氢工艺是日前加工重质、劣质油的最有效办法。该工艺需要加入固体催化剂，硬度达60HRC，直径约为50μm，操作温度为400~460℃，操 作压力为18~22MPa。沸腾床渣油加氢安装用的高温高压耐磨球阀，不仅需适应气、液、固三相工况， 况且要满足高温、高压要求下承受催化剂的冲刷、磨损和腐蚀，在温度、压力频繁变化的要求下，避免显现耐磨涂层剥落、疲劳交变等现象。
02 结构设计
2.1 浮动球结构
一般，金属密封球阀大多为固定球结构。沸腾床渣油加氢安装系统内的介质含有固体颗粒，为防止颗粒进入弹簧腔，因此阀门设计成浮动球结构。进口端为浮动式阀座，安装预紧碟形弹簧。出口端为固定式双面密封阀座，阀座由压环固定在阀身体部（图1）。阀座的前面为凹球面，与球体形成密封副。阀座的后面有2种结构，一种是平面密封，与阀体出口端内孔的硬质平面形成密封副，另一种是球面密封（图2）。阀座的后面是凸球面，阀体出口端内孔加工成凹球面密封面，二者形成密封副，对超硬密封面的研磨和配研都特别有益处。
图１ 沸腾床渣油加氢安装用耐磨球阀
图２ 双球面阀座结构
2.2 W形双曲面缺口
为减少球阀在启闭瞬间介质对阀座的冲刷，降低介质的流速，在球体的孔口设计W形缺口。国 的有些制品亦设计了W形缺口，但只是对缺口处进行修磨。将W形缺口改为双曲面型（图3~图5）， 双曲面型缺口可使球身体孔通道和球体外球面的连接处均为相切平滑过渡，避免相交尖角过渡，即使打磨亦达不到相切效果。该球体孔和外球面均需硬化处理，W形双曲面缺口对防止局部应力集中和硬化层剥落起到良好效果。同期，双曲面型缺口增多了其加工工艺的繁杂性，需要在五轴联动加工中心上安装edgecam软件进行编程才可完成。
图３ 球体通道口的 Ｗ 形缺口
图４ 图3A-A剖视图
图5 图3B-B剖视图
2.3 Ｔ形压力自紧密封圈
因为介质是高温高压且其温度冷热交变，对阀体、阀盖连接端的密封垫需求很高。法兰密封面设计2道密封，外面是榫槽连接面加缠绕式垫片，里面是T形自紧密封圈。该自紧密封圈的外侧各有15°斜面与阀体、阀盖的对应斜面构成密封副。该处密封副需求拥有硬度差。Ｔ形密封圈采用F347H，经固溶和稳定化处理，硬度较低，但对阀体、阀盖的密封面则堆焊 STL硬质合金，能满足硬度差需求。T形自紧密封圈还有一个功能，便是当介质压力增大时，会使密封圈出现变形，贴紧密封面，达到自紧密封效果。
2.4 表面硬化处理
球体和阀座密封面可按照阀门区别的加工工况，选择超音速喷涂（HVOF工艺）、火焰粉末重熔 技术（SP工艺）和激光熔覆技术，来加强表面硬度和抗擦伤性能。超音速喷涂WC或CrC ，涂层厚度为0.3~0.6mm，硬度大于65HRC，结合强度约为100MPa，过渡层为机械结合。火焰粉末重熔和激光熔覆的过渡层为冶金结合，抗剥落的效果更理想。阀身体腔、流道和球体孔均采用超音速喷涂耐磨合金，加强抗冲刷性能，喷涂硬化层硬度为64~68HRC，结合强度大于69MPa，涂层的有效厚度为0.2~0.5mm。
2.5 阀杆
浮动球阀的开启扭矩很大，阀杆的设计不仅要选择耐腐蚀、耐高温、强度高的材料，况且能承受计算扭矩2.5倍以上的操作扭矩。阀杆下端外表面及凸台上平面应堆焊硬质合金，与填料接触表面用超音速喷涂硬化层，还要精磨并抛光，其表面粗糙度值Ra ＜0.1μｍ。
03 有限元分析
阀门在定型设计前，要用有限元对阀门的应力场、温度场等进行综合分析。
3.1 阀体、球体应力分析
经过模拟计算，得到阀身体壁等效应力分布图，如图6所示。阀身体壁最大等效应力分布在进出口流道处，最大等效应力约为185MPa，阀身体壁其余部位的等效应力较小，均少于标准规定的应力。
图６ 阀身体壁应力分布
（１）阀体应力分析结果
由图6看出，阀体最大应力分布在进口端流道和阀杆孔处，最大等效应力约为153MPa，阀身体壁其余部位的等效应力较小，均少于标准规定的应力。
（２）球体应力分析结果由图6得出，球体最大应力分布在流道处，最大等效应力约为109MPa，阀身体壁其余部位的等效应力较小，均少于标准规定的应力。
3.2 阀杆应力分析
（１）阀杆等效应力分析
经过模拟计算，得到阀杆等效应力分布云图，如图7所示。阀杆最大等效应力分布在上端，最大等效应力约为275.09MPa，其余部位的等效应力较小，均少于许用应力。
图７ 阀杆应力分布图
（２）阀杆剪应力分析经过模拟计算，得到阀杆剪应力分布云图。阀杆最大剪应力为66.366MPa，少于材料的许用剪应力。
3.3 温度场分析
阀门在关闭状态下与介质接触，热交换达到平衡状态。阀体与介质接触的壁面最高温度在阀体中腔，为550℃，最低温度在出口端法兰，温度为190℃。阀门内壁温度场的分布如图8所示。
图８ 阀门内壁面温度场
04 检验和实验
因为耐磨球阀安装在渣油加氢催化的关键安装上，介质工况严苛，又是替代进口制品，因此阀门出厂前应进行下列三类实验：
（１）按API598标准进行出厂压力实验；
（２）冷热交变循环实验；
（３）静压寿命实验。
4.1 出厂压力实验
根据API598标准，在室温下进行壳体液压强度实验，高压液体密封实验，低压气体密封实验，还要进行开关动作实验（空载、带载各5次），观察是不是有卡阻现象，还用带数显的扭矩扳手测试开关扭矩，分别记录开、关扭矩最大值。在室温下还要用氦质谱检漏仪根据ISO15848-2标准，检测体、盖连接处和阀杆填料函处的氦泄漏数值，应该达到标准B级需求。
4.2 阀门冷热交变循环实验
沸腾床渣油加氢安装重点分为两部分，第1是反应部分，第二是催化剂在线加排部分。催化剂在线加排部分存在温度（150~453℃）和压力（0~19.94MPa）交变状况，因此耐磨球阀应进行冷热交变循环实验。冷态（室温）实验内容和办法与阀门出厂压力实验的内容和办法相同，热态实验比较繁杂。阀门热态实验安装由阀门加热系统、压力系统和测控系统构成（图9）。阀门加热系统由电阻丝加热的高温箱和阀门推送公司构成。压力系统由气瓶组、汇流排、调压安装、增压泵、气路切换箱、高压管路等构成。测控系统由传感单元、采集掌控单元、掌控回路、人机界面等构成。
图９ 阀门热态实验安装
阀门进行热态实验时，首要将阀门安装试压盲板、阀门内腔、填料函处、箱内等处安置温度传感器，另一端接入掌控柜。当阀身体温度升至设定温度后，保温，进行空载开关实验，测试空载开关扭矩。而后向阀内充入额定压力的氮气或空气，进行带载开关动作实验，测试带载开关扭矩，并进行进出口2端压力密封实验，经过流量计分别测出进出口端的阀座泄漏量。测试后将阀门取出，冷却至室温，再按API598标准进行各项实验，包含开关动作实验、空载、带载扭矩测试和低泄漏实验。根据这般的冷热交变循环3次，才可认定为实验结束。
4.3 阀门静压寿命实验
S-zorb安装的反应过滤器用的高频球阀，开关操做为2.5万~3万次/ａ，因此在研制小口径 （DN≤50）阀门时，最好按JB/T 8861标准进行静压寿命实验。拥有静压寿命实验设备的厂家较多，亦可采用专业的检测实验系统，对制品的结构、选材、密封面硬化效果等可作出恰当评判。
05 结语
随着石油化工技术的提高，耐磨球阀的应用行业逐步扩展，中压部分广泛应用在催化裂化、连续重整和S-zorb催化脱硫安装，高压部分重点应用在沸腾床加氢、浆态床加氢、悬浮床加氢、固定床加氢及煤气化、煤液化、煤焦油加氢等安装，另一在多晶硅行业、矿产行业、造纸行业等亦都海量选择。
下期论文：平板闸阀非对叫作密封结构的设计与分析
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发表于 2024-10-3 02:26:52