裂解氣閥和清焦閥的選型及使用

2013-09-03 陸建新中國石油化工股份有限公司上海石化烯烴部

　　常見的裂解氣閥和清焦閥的閥型有軟密封平板閘閥、金屬密封平板閘閥、雙閘板平行式閘閥和金屬密封蝶閥4種，文中分別論述了其原理和特點(diǎn)，簡單介紹了這4種閥門在國內(nèi)的應(yīng)用概況，總結(jié)了裂解氣閥和清焦閥的選型及使用應(yīng)該注意的事項(xiàng)。

　　裂解氣閥和清焦閥是裂解爐的關(guān)鍵設(shè)備之一，其性能的優(yōu)劣直接影響裂解爐的運(yùn)行和安全。自從裂解技術(shù)在20世紀(jì)60年代末成熟應(yīng)用以來，裂解氣閥和清焦閥的設(shè)計(jì)、制造和應(yīng)用也有了很大的發(fā)展。

1、裂解氣閥和清焦閥的用途

　　1臺(tái)裂解爐通常配備1個(gè)裂解氣閥和1個(gè)清焦閥，裂解氣閥用以切斷裂解管線，清焦閥用以切斷清焦管線，其典型的安裝工藝見圖1。

圖1 解氣閥和清焦閥的安裝示意

1.1、裂解氣閥和清焦閥的工作模式

　　裂解氣閥和清焦閥有3種工作模式：

　　裂解模式：裂解氣閥開啟，清焦閥關(guān)閉，裂解爐在裂解，裂解氣和急冷油混合共同進(jìn)入分離塔，此時(shí)工況壓力為0.1MPa，溫度約為250℃;工作1個(gè)周期(30～60天)后，裂解爐內(nèi)壁結(jié)焦，效率降低，需要清焦，閥門進(jìn)入切換模式。

　　切換模式：裂解氣閥正在“關(guān)”中，清焦閥正在“開”中。至裂解氣閥全關(guān)，清焦閥全開狀態(tài)，進(jìn)入清焦模式。

　　清焦模式：裂解氣閥關(guān)閉，清焦閥開啟。當(dāng)裂解爐在清焦時(shí)，急冷器停止噴油，含有焦碳顆粒的煙道氣通過清焦閥放空，此時(shí)工況壓力為0.07MPa，溫度為400～500℃，持續(xù)1～2天后，再次切換，至裂解氣閥全開，清焦閥全關(guān)，再次進(jìn)入裂解模式，如此循環(huán)往復(fù)。

1.2、裂解氣閥和清焦閥的介質(zhì)

　　和普通閥門不同，裂解氣閥和清焦閥有工藝和保護(hù)2種介質(zhì)(見圖2)。工藝介質(zhì)分別是裂解氣和清焦氣，運(yùn)行在流道中，壓力為P1。裂解氣的成分十分復(fù)雜，有碳?xì)浠衔铩O和CO2、急冷油、水蒸氣等，在清焦過程中還會(huì)產(chǎn)生大量的結(jié)焦顆粒，是多相流。保護(hù)介質(zhì)為蒸汽，運(yùn)行在閥腔中，壓力為P2。

　　蒸汽主要有3個(gè)作用：一是在閥腔和流道之間建立氣封。由于蒸汽的壓力高于介質(zhì)壓力，故閥腔和流道間的物質(zhì)交換，只能是閥腔中的蒸汽流入流道;二是保持閥體的溫度，防止閥腔結(jié)焦;三是清潔閥腔，將進(jìn)入閥腔的裂解氣經(jīng)排放管吹掃出去。對(duì)于雙閘板平行式閘閥，保護(hù)蒸汽在閥門關(guān)閉時(shí)還增加了密封力，使密封更可靠，在閥門開啟時(shí)保護(hù)蒸汽還提供了膨脹節(jié)的密封力。

圖2 裂解氣閥和清焦閥的介質(zhì)示意

2、常見的裂解氣閥和清焦閥

　　目前常見的裂解氣閥和清焦閥的閥型有軟密封平板閘閥、金屬密封平板閘閥、雙閘板平行式閘閥和金屬密封蝶閥4種，下面簡單論述該4種閥型的原理、特點(diǎn)和在國內(nèi)的應(yīng)用概況。

2.1、軟密封平板閘閥

　　2.1.1、原理

　　平板閘閥的閥板采用平板結(jié)構(gòu)，通過閥板與密封圈的接觸壓力來密封流體，軟密封是指密封圈材料是非金屬(見圖3)。

圖3 軟密封平板閘閥示意

　　作為裂解氣閥和清焦閥的平板閘閥有2個(gè)特點(diǎn)：一是密封圈在結(jié)構(gòu)上同普通平板閘閥密封圈有本質(zhì)區(qū)別，其主體材料為石棉，纖維方向要定向排列，且均平行于密封圈中心線，即垂直于閥板運(yùn)動(dòng)方向，使密封圈承受軸向載荷能力強(qiáng)，不易受損傷(見圖4)。而普通平板閘閥密封圈的材質(zhì)為聚四氟乙烯或石墨，不含纖維，容易劃傷，不耐結(jié)焦;二是帶導(dǎo)流孔，這樣在開位密封圈受保護(hù)，壓力損失小。

　　2.1.2、優(yōu)點(diǎn)

圖4 密封圈示意

　　(1)開位的密封程度和閉位一致，介質(zhì)不會(huì)進(jìn)入閥腔，大幅降低了結(jié)焦可能性;

　　(2)壓力損失小。介質(zhì)流經(jīng)楔式閘閥時(shí)，因閥腔擴(kuò)大，流速突變，形成渦流，造成壓力損失，而流經(jīng)導(dǎo)流式平板閘閥時(shí)，如同在直管內(nèi)流動(dòng)，僅有輕微的沿程阻力損失;

　　(3)易維修，僅替換密封圈即可;

　　(4)平板閘閥的開關(guān)行程偏差不如楔式閘閥那樣嚴(yán)格，故便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制和遙控;

　　(5)操作平穩(wěn)省力，克服了楔式閘閥開關(guān)力矩波動(dòng)大和閘板易被卡死的缺點(diǎn);

　　(6)閥板在開關(guān)過程中，始終是在密封面上滑動(dòng)，密封圈起到清掃閥板的作用，不會(huì)嚙進(jìn)固體顆粒而損傷密封面;

　　(7)結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高，比金屬密封成本低;

　　(8)密封圈壓在閥座的溝槽里，被金屬保護(hù)，流體的沖蝕小。

　　2.1.3、缺點(diǎn)

　　(1)軟密封的使用周期較金屬密封短，易被顆粒劃傷，影響使用壽命;

　　(2)在開關(guān)過程中，閥板與密封圈之間不密封，裂解氣可經(jīng)過密封圈和導(dǎo)流孔形成的通道進(jìn)入閥腔，形成結(jié)焦;

　　(3)在關(guān)位，介質(zhì)壓力將閥板壓向出口側(cè)，在進(jìn)口密封圈和閥板之間形成細(xì)小間隙，造成泄漏。連續(xù)運(yùn)行后，蒸汽會(huì)吹掉密封圈，引起更大的泄漏，形成結(jié)焦，造成閥板關(guān)閉不到位。

　　2.1.4、使用情況

　　軟密封平板閘閥是第一代裂解氣閥和清焦閥，20世紀(jì)80年代，國內(nèi)如燕山、金山、揚(yáng)子、齊魯、大慶等均采用此種閥型，為日本一之瀨(Ichi-nose)公司的產(chǎn)品。裂解氣閥的公稱通徑為DN800(32in)，清焦閥的公稱通徑為DN350(14in)，每家廠使用的數(shù)量約12臺(tái)，第一代產(chǎn)品均為縮徑，因而壓力損失大。

2.2、金屬密封平板閘閥

　　2.2.1、優(yōu)點(diǎn)

　　針對(duì)軟密封的不足，金屬密封平板閘閥進(jìn)行了三方面改進(jìn)，屬于第二代裂解氣閥和清焦閥(見圖5)。

圖5 金屬密封平板閘閥示意

　　密封圈采用多層金屬復(fù)合密封圈，包含多層金屬帶和非金屬帶。金屬帶是“骨架”，使復(fù)合密封圈具有一定的強(qiáng)度和剛度，保證耐磨性和使用壽命，保護(hù)非金屬帶不被介質(zhì)劃傷、撕裂或吹失。非金屬帶是“密封”，使復(fù)合密封圈具有適當(dāng)?shù)膹椥�，保證密封性，是密封的主體。金屬復(fù)合密封圈兼有非金屬和金屬密封的優(yōu)點(diǎn)，即密封可靠、耐磨損、使用壽命長。

　　閥座上安裝有2塊導(dǎo)板，導(dǎo)板在閥板移動(dòng)時(shí)始終緊貼著閥板，閥板在導(dǎo)板中無間隙地運(yùn)動(dòng)，閥腔和流道之間始終處于隔離狀態(tài)，大幅提高了平板閘閥在開關(guān)過程中的防焦性能。

　　早期的平板閘閥均為下置導(dǎo)流孔設(shè)計(jì)(見圖6)，導(dǎo)流孔位于閥板下部，上部為密封面，閥板下降時(shí)閥門關(guān)閉。在關(guān)閉過程中，密封圈和導(dǎo)流孔形成的通道位于下部，在重力的作用下，裂解氣經(jīng)過此通道進(jìn)入閥腔，形成結(jié)焦。新一代金屬密封平板閘閥改為上置導(dǎo)流孔設(shè)計(jì)(見圖7)，導(dǎo)流孔位于閥板上部，下部為密封面，閥板下降時(shí)閥門開啟，閥板上升時(shí)閥門關(guān)閉。在關(guān)閉過程中，由密封圈和導(dǎo)流孔形成的通道位于上部，降低了結(jié)焦可能性。

圖6 下置導(dǎo)流孔示意

圖7 上置導(dǎo)流孔示意

　　2.2.2 使用情況

　　德國菲亞泰科(Friatec)的金屬密封平板閘閥，在國內(nèi)有很多廠家使用，四川石化約28臺(tái)，蘭州石化約22臺(tái)。另外天津、齊魯、楊子也有少量使用。

2.3、雙閘板平行式閘閥

　　2.3.1、原理

　　雙閘板平行式閘閥是一種帶導(dǎo)流孔的平行式閘閥，兩個(gè)閘板安裝在眼鏡式的閥板架中，當(dāng)閥門關(guān)閉時(shí)，兩閘板被楔塊撐開緊密地壓在閥座上，形成強(qiáng)制密封。在閥門開關(guān)過程中，導(dǎo)板始終緊貼著閥板，閥板在導(dǎo)板中無間隙地運(yùn)動(dòng)，形成浮動(dòng)密封，防止介質(zhì)在開關(guān)過程中進(jìn)入閥腔。當(dāng)閥門完全開啟時(shí)，相當(dāng)于直通管道，膨脹節(jié)和閥座形成彈性密封，防止介質(zhì)進(jìn)入閥腔。這種閥門的動(dòng)作分兩步：關(guān)閉時(shí)，閘板移動(dòng)到位后才膨脹密封;開啟時(shí)，閘板收縮后再向上移動(dòng)打開(見圖8)。

圖8 雙閘板平行式閘閥示意

　　此種閥門的特點(diǎn)是開位密封，其原理見圖9所示。膨脹節(jié)由密封座、內(nèi)管和波紋管組成，波紋管是彈性元件，兩端均和密封座焊接在一起，而內(nèi)管僅有一端焊接在密封座上，另一端自由，使膨脹節(jié)具有膨脹性。膨脹節(jié)的密封力由兩部分組成：一是膨脹節(jié)在高溫下產(chǎn)生熱脹力;二是閥腔的蒸汽壓力高于內(nèi)管中的介質(zhì)壓力，兩者之差使膨脹節(jié)膨脹。

　　2.3.2、優(yōu)點(diǎn)

圖9 膨脹節(jié)原理示意

　　(1)雙閘板平行式閘閥兼有楔式閘閥和平板閘閥的優(yōu)點(diǎn)，在閉位、開位和開關(guān)過程中均考慮了防焦措施，從理論上講閥腔不可能結(jié)焦;

　　(2)閥座密封面堆焊硬質(zhì)合金，使用周期長;

　　(3)閉位具有雙重密封功能;

　　(4)防焦性能好，開位膨脹節(jié)彈性密封，開關(guān)過程中全導(dǎo)板浮動(dòng)密封;

　　(5)在開位和閉位，閥座被完全覆蓋，避免顆粒在閥座上堆積;

　　(6)閥板和閥座的摩擦小，使用壽命長;

　　(7)內(nèi)部設(shè)置楔式機(jī)構(gòu)，防脹死設(shè)計(jì)，適合于高溫工況;

　　(8)在開位相當(dāng)于直通管道，壓力損失小。

　　2.3.3、缺點(diǎn)

　　(1)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，活動(dòng)件多，可靠性降低;

　　(2)體積大、閥門重，制造成本高，需要安裝空間大;

　　(3)金屬閥座，維修難度大;

　　(4)閥體采用焊接結(jié)構(gòu)，截面為矩形，閥體的剛度差。

　　2.3.4、使用情況

　　雙閘板平行式閘閥是由德國Zimmermann研制的，20世紀(jì)90年代后期，特別是最近幾年，有很多的用戶選擇此閥，是國內(nèi)目前在線數(shù)量最多的一種閥型。

2.4、金屬密封蝶閥

　　2.4.1、原理

　　用作裂解氣閥和清焦閥的蝶閥均為三偏心金屬密封蝶閥(見圖10)。第一偏心是軸向偏心，指蝶板回轉(zhuǎn)軸線與密封面偏置一個(gè)距離，使密封面為連續(xù)360°;第二偏心是徑向偏心，蝶板回轉(zhuǎn)軸線與閥體流道中心線偏置一個(gè)距離，產(chǎn)生凸輪效應(yīng)，可消除80%轉(zhuǎn)動(dòng)范圍內(nèi)閥板與閥座的摩擦接觸;第三偏心是角偏心，閥座回轉(zhuǎn)軸線與閥體通道軸線形成一個(gè)角度，消除余下20%摩擦接觸。三偏心的最大特點(diǎn)是從根本上改變了密封機(jī)理，不再依靠閥座的彈性變形，而是完全依靠接觸壓力來達(dá)到密封效果。在關(guān)閉時(shí)產(chǎn)生的力主要是法向正壓力，而幾乎沒有切向力，解決了金屬閥座零泄漏這一難題。用作裂解氣閥和清焦閥的金屬密封蝶閥必須設(shè)計(jì)2種保護(hù)：一是閥座蒸汽保護(hù)系統(tǒng)，閥座上設(shè)計(jì)蒸汽吹掃，可以確保閥座密封面不會(huì)結(jié)焦;二是蝶板保護(hù)裝置，可在閥門全開時(shí)，防止介質(zhì)中的顆粒在蝶板密封面上堆積。

圖10 三偏心金屬密封蝶閥的原理和保護(hù)設(shè)計(jì)

　　2.4.2、優(yōu)點(diǎn)

　　(1)重量輕，蝶閥比同材質(zhì)、同磅級(jí)、同口徑的閘閥平均重量輕80%，體積小70%，價(jià)格低40%;

　　(2)電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的功率小，金屬密封三偏心蝶閥密封副在接觸和脫離的瞬間幾乎不發(fā)生相對(duì)摩擦，大幅降低了操作力矩;

　　(3)三偏心蝶閥利用扭矩切斷閥門，有較好的密封性能;

　　(4)開關(guān)時(shí)間短;

　　(5)全關(guān)時(shí)蝶板與閥座不接觸，相互間不會(huì)產(chǎn)生滑動(dòng)，這樣既能減少密封面的損傷，又能延長使用壽命;

　　(6)閥板密封面可更換，維護(hù)簡單。

　　2.4.3、缺點(diǎn)

　　(1)蝶板和閥桿位于流道中，減小了流通面積，造成壓頭損失。而隨著偏心數(shù)增加，閥板的厚度增加，則阻力增加，三偏心蝶閥的阻力損失比二偏心和中線蝶閥大;

　　(2)閥座暴露在介質(zhì)中，遭受腐蝕和沖刷，使用壽命短，顆粒易在閥座、閥板上堆積，造成閥門關(guān)閉不嚴(yán);

　　(3)不能形成密封的腔體，蒸汽損耗量大，增加了下游設(shè)備的負(fù)荷;

　　(4)蝶閥的流通面積對(duì)開關(guān)的偏差敏感，開度稍不到位，壓降會(huì)急劇上升，影響裝置產(chǎn)能。

　　(5)蝶閥在切斷的可靠性方面低于閘閥。為實(shí)現(xiàn)雙截?cái)嗯c排放(DBB)功能，蝶閥用作裂解氣閥時(shí)，通常采取雙閥配置，串聯(lián)使用，其中備閥具有事故工況下自動(dòng)關(guān)閉功能，提高可靠性。

　　2.4.4、使用情況

　　20世紀(jì)80年代后，三偏心金屬密封蝶閥才開始用作裂解氣閥和清焦閥，主要有ADAMS公司的多層次密封蝶閥和MAPAG公司的M型蝶閥。

　　多層次密封蝶閥的密封面采用的是層壓式不銹鋼石墨材料，具有很高的強(qiáng)度和剛性，在高溫高壓下仍有良好的密封性能。

　　ADAMS蝶閥在茂名石化約20臺(tái)，中原石化有2臺(tái)。

　　MAPAG公司的M型蝶閥在蝶板的密封面上設(shè)計(jì)成M形，其結(jié)構(gòu)見圖11，這樣就使得蝶板與閥體之間形成了雙重密封，加之采用上、下兩段式閥桿，增加了閥門的流通面積，壓力損失及操作扭矩要比單桿式的蝶閥小。蝶板表面為球面，這樣可以提高密封效果，又可以防止卡死。閥座是完全的金屬密封，不存在任何軟密封材料，是絕對(duì)的防火設(shè)計(jì)。MAPAG蝶閥在吉林石化共2臺(tái)。

圖11 三偏心金屬密封蝶閥示意

3、裂解氣閥和清焦閥的選型及使用應(yīng)該注意的事項(xiàng)

3.1、選型時(shí)應(yīng)該關(guān)注的性能

　　最重要的是防焦性能特別是開位和開關(guān)過程的防焦性能。防焦的根本是防止裂解氣進(jìn)入閥腔，技術(shù)核心是流道和閥腔的切斷性能，在開位和中間位有密封性的閥門防焦性好，應(yīng)優(yōu)先考慮。其次是耐顆粒性主要指密封面被保護(hù)，以免被顆粒覆蓋，造成密封失效。再次應(yīng)當(dāng)關(guān)注閥門壓力損失，以免影響系統(tǒng)產(chǎn)能;還要關(guān)注閥門連續(xù)使用周期和維修性能，也就是閥門的性價(jià)比。

3.2、使用時(shí)的注意事項(xiàng)

　　裂解氣閥和清焦閥是特殊閥門，是按使用條件而不是磅級(jí)進(jìn)行設(shè)計(jì)的，故訂貨時(shí)的使用條件要提準(zhǔn)確，特別是管線的載荷條件，包括力和力矩，由大小和方向兩個(gè)要素構(gòu)成，以便制造商在設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行應(yīng)力校核，模擬在線情況。管線載荷提得偏小，上線后閥體可能變形，造成動(dòng)作失靈。而管線載荷提得偏大，閥門過重，成本上升，增加管線負(fù)荷，由于閥門口徑很大，安裝位置又很高，增加壁厚必然增加吊裝的難度，也不便于維修。

　　公稱通徑大于DN300(12in)的閥門，安裝時(shí)須加支撐，禁止用管線支撐閥門，閥門重量會(huì)使管線變形，增加管線應(yīng)力，造成閥體變形動(dòng)作失靈。支撐的目的是閥門不給管線施加載荷，同時(shí)閥門可以在支撐面上滑動(dòng)，熱脹冷縮時(shí)管線又不給閥門施加載荷。

　　保持蒸汽持續(xù)吹掃閥體，加強(qiáng)巡檢，發(fā)現(xiàn)蒸汽管線變涼、堵塞，應(yīng)立即疏通或更換，以免結(jié)焦。

4、結(jié)語

　　(1)裂解氣閥和清焦閥技術(shù)是隨著催化裂化技術(shù)的發(fā)展而不斷完善起來的，最早使用的閥型是楔式閘閥，由于其結(jié)構(gòu)上的缺陷如底部存在結(jié)焦區(qū)、閥桿的熱膨脹容易使密封面過荷和密封面暴露在介質(zhì)中容易夾雜固體顆粒等，逐漸被軟密封平板閘閥所替代。為滿足不斷延長的生產(chǎn)周期的需要，催生了金屬密封平板閘閥和平行式閘閥，后者是專為裂解和清焦工藝而發(fā)明的閥型，被各大裂解爐制造商看好和推廣。目前，國內(nèi)裂解氣閥和清焦閥絕大部分采用金屬密封閘閥，采用三偏心金屬密封蝶閥的較少。

　　(2)裂解氣閥和清焦閥技術(shù)的發(fā)展還體現(xiàn)在執(zhí)行機(jī)構(gòu)上，最早的閥門多為手動(dòng)，20世紀(jì)90年以后基本上為電動(dòng)，最近15年向智能化遠(yuǎn)程控制發(fā)展，不僅可以進(jìn)行遙控操作，還可以進(jìn)行遙控調(diào)試，提高了閥門的交互式性能。

　　裂解氣閥和清焦閥技術(shù)的發(fā)展還體現(xiàn)在安全性上，為防止切換時(shí)裂解氣倒流和清焦管線超壓，發(fā)展了清焦閥連動(dòng)機(jī)構(gòu)，進(jìn)行超壓保護(hù)。

　　(3)隨著科技的進(jìn)步，還會(huì)出現(xiàn)新的新結(jié)構(gòu)、新的閥型和新技術(shù)。

　　(4)裂解氣閥和清焦閥的選用是項(xiàng)十分重要的系統(tǒng)工程，只有訂貨條件提準(zhǔn)確、選型科學(xué)、使用合理、維護(hù)保養(yǎng)及時(shí)才能保證其正常運(yùn)行。