氫氣加熱爐出口切斷球閥結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

2014-09-20 胡慶斌中國神華煤制油化工有限公司

　　介紹了煤直接液化氫氣加熱爐出口切斷球閥的工況要求，分析了使用中球閥出現(xiàn)的問題，論述了優(yōu)化設(shè)計(jì)后的閥門整體結(jié)構(gòu)更加合理，性能更加可靠。

1、概述

　　煤直接液化工程開拓了煤炭清潔轉(zhuǎn)化和高效利用的一條技術(shù)途徑，對(duì)國家能源戰(zhàn)略安全具有十分重要的意義。煤直接液化是將適合于液化工藝的煤制成煤漿，在煤液化反應(yīng)器中反應(yīng)制成液化粗油，再經(jīng)過加氫裂化、加氫精制和重整等工藝的組合將液化粗油加工成合格的汽油、柴油和航空煤油。在煤直接液化工藝過程中，氫氣不僅為反應(yīng)提供適當(dāng)壓力，滿足液化條件，而且還為反應(yīng)物的液化過程提供氫源，從而參與液化反應(yīng)。真空技術(shù)網(wǎng)(http://genius-power.com/)認(rèn)為氫氣加熱爐出口切斷球閥其密封的可靠性是保障裝置安全運(yùn)行的重要條件。為確保加氫裝置平穩(wěn)、可靠和安全的運(yùn)行，針對(duì)閥門使用情況，進(jìn)行了優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使其更好的滿足工況條件及操作要求。

2、切斷球閥的技術(shù)要求

　　介質(zhì)氫氣；設(shè)計(jì)溫度565℃；設(shè)計(jì)壓力22. 6MPa；工作溫度538℃；工作壓力19. 037MPa；密封等級(jí)V 級(jí)( FCI 70.2-2013)

3、切斷球閥的結(jié)構(gòu)分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)

　　閥門采用兩段式鍛造閥體浮動(dòng)球閥結(jié)構(gòu)( 圖1) 。右閥體上開有工藝孔，閥桿從工藝孔裝入，右閥體閥座裝有碟簧，左、右閥體密封部位采用雙面楔形墊密封，填料壓蓋上用兩組碟簧加載。在煤直接液化裝置正常運(yùn)行工況下，球閥處于開啟狀態(tài)，未見異常。但是，在幾次事故處理過程中，閥門在關(guān)閉狀態(tài)下不能達(dá)到工況要求的密封等級(jí)。

　　3.1、閥體

　　兩段式鍛造閥體靜密封點(diǎn)少，可以避免因外連接過多( 如三段式鍛造閥體) 而引起的泄漏。采用鍛造成形工藝，可以保障金屬組織的致密度，適于臨氫工況的要求。閥門的左、右閥體及端蓋和右閥體的連接均采用雙面楔形墊密封，楔形墊外表面鍍金。雙面楔形墊屬于塑性墊徑向自緊式密封，達(dá)到一定的預(yù)緊力后即可實(shí)現(xiàn)有效的密封，表面鍍金可以補(bǔ)償雙面楔形墊表面的缺陷和增強(qiáng)耐蝕性，適于在高溫臨氫工況下使用。

切斷球閥

1. 左閥體2. 右閥體3. 雙面楔形墊4. 端蓋5. 壓圈和內(nèi)六角螺釘6. 球體7. 閥座8. 閥桿9. 氣動(dòng)裝置10. 填料11. 填料壓蓋12. 止推墊片13. 碟簧14. 碟簧組

圖1 切斷球閥

　　由于閥門為高溫臨氫工況，當(dāng)外連接發(fā)生逸散性排放時(shí)，氫氣在大氣中達(dá)到4% ～ 75% 的體積比時(shí)，即可發(fā)生爆炸事故，因此外連接的密封需要安全可靠。針對(duì)這一要求，在保留閥門密封原有結(jié)構(gòu)的同時(shí)，進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。在右閥體上開槽，放入金屬O 形圈，分別與左閥體和端蓋形成密封( 圖2) 。

　　在金屬O 形圈的內(nèi)側(cè)鉆有若干個(gè)小孔，由于管內(nèi)具有與操作壓力相同的內(nèi)壓，因而增加了自緊性，只要法蘭和緊固件具有足夠的強(qiáng)度和剛度，理論上可密封無限高的壓力，適用于超高壓場(chǎng)合，通常使用壓力可達(dá)到350MPa，有時(shí)可達(dá)700MPa，真空技術(shù)網(wǎng)(http://genius-power.com/)認(rèn)為這是金屬密封中承壓能力最高的結(jié)構(gòu)。金屬O 形圈用圓管制作，表面粗糙度Ra = 1. 6μm，但外表面須鍍金，用以補(bǔ)償O 形圈管材表面缺陷和增強(qiáng)耐蝕性。鍍層厚度0. 03 ～ 0. 04mm，與O形圈相配合的接觸面Ra =1. 6μm( 電鍍時(shí)為3. 2μm) 。

　　3.2、球體與閥桿

　　球體( 圖3) 與閥桿( 圖4) 端部連接選用了矩形榫槽結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)承受載荷能力好，但當(dāng)氫氣波動(dòng)時(shí)，煤漿會(huì)反流到榫槽的縫隙中產(chǎn)生結(jié)焦。當(dāng)閥門關(guān)閉時(shí)，矩形榫槽的縫隙由于焦塊堵塞限制了球體的位移，因此閥門關(guān)閉時(shí)不能保證球體壓向閥座并形成密封比壓，因而也就不能實(shí)現(xiàn)有效密封，這是閥門密封性能不好的直接原因。針對(duì)這種情況，對(duì)球體和閥桿的連接部位進(jìn)行優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，閥桿保持原結(jié)構(gòu)不變，球體矩形槽的低壓端保證原尺寸不變，而高壓端加工成直通道( 圖5) 。閥門關(guān)閉時(shí)，球體在介質(zhì)壓差的作用下，將沿著閥桿矩形長邊的側(cè)面導(dǎo)向產(chǎn)生位移。在高壓介質(zhì)力的作用下，即便球體的球口產(chǎn)生微量變形，也能夠?qū)⑶蝮w緊緊壓向低壓端閥座，并遠(yuǎn)超過實(shí)現(xiàn)密封的必需比壓，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)密封，達(dá)到工況要求的密封等級(jí)。

優(yōu)化后的切斷球閥

1. 左閥體2. 金屬O形圈3. 雙面楔形墊4. 右閥體5. 端蓋6. 碟簧7. 壓圈和內(nèi)六角螺釘8. 球體9. 氣動(dòng)裝置10. 閥桿11. 填料壓蓋12. 填料13. 止推墊片14. 閥座15. 盤片16. 碟簧組17. 導(dǎo)向套

圖2 優(yōu)化后的切斷球閥

圖3 球體

　　3.3、閥座密封

　　閥門高壓端閥座采用分離式，便于維修，但低壓端密封閥座固定在左閥體上，不利于密封。因?yàn)殚y門關(guān)閉時(shí)，介質(zhì)力作用在球體上，將球體壓向低壓端閥座的同時(shí)，介質(zhì)作用力也作用于左閥體上，由于左、右體之間采用螺柱連接，在高溫及高壓介質(zhì)力作用下螺柱發(fā)生蠕變，導(dǎo)致低壓端閥座隨左閥體產(chǎn)生脫開球體的微小位移，而球體和閥桿的榫槽結(jié)構(gòu)限制了球體的位移，導(dǎo)致球體和低壓端閥座未能緊密接觸，沒有形成密封所需的必需比壓，因而不能實(shí)現(xiàn)閥門密封，這是閥門不能達(dá)到工況要求的密封等級(jí)的另一個(gè)重要原因。

圖4 閥桿

優(yōu)化后的球體

圖5 優(yōu)化后的球體

　　針對(duì)存在的問題，對(duì)閥座進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。在保證原來閥座結(jié)構(gòu)的前提下，將高壓端閥座與低壓端閥座及其組件對(duì)調(diào)安裝，即低壓端密封閥座安裝到右閥體上，避免了因介質(zhì)壓差作用而導(dǎo)致低壓端密封閥座產(chǎn)生脫開球體的微小位移，從而確保閥門達(dá)到工況要求的密封等級(jí)。

　　3.4、填料及組件

　　閥門用2 組碟形彈簧安裝在壓蓋螺栓的螺母與壓蓋之間，形成動(dòng)載荷填料系統(tǒng)。因?yàn)榈螐椈少A存了一定量的彈性能，當(dāng)填料體積發(fā)生損失( 如摩擦、壓實(shí)、燒失等損耗) ，以及螺栓蠕變、填料松弛、振動(dòng)和不同熱膨脹等引起的填料與閥桿接觸力的下降，該彈性能可彌補(bǔ)填料應(yīng)力的松弛，使填料在閥門運(yùn)行期間保持密封，從而延長了填料的使用壽命。因此，動(dòng)載荷填料系統(tǒng)適合溫度頻繁變化、壓力波動(dòng)、振動(dòng)或?qū)π孤┮髧?yán)格( 低逸出) 等的重要場(chǎng)合。

　　經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)拆檢分析，碟簧組用螺栓導(dǎo)向并處于壓平狀態(tài)，對(duì)螺栓而言，作為導(dǎo)向桿，既要承受軸向負(fù)荷，并且當(dāng)?shù)砂l(fā)生橫向滑移時(shí)，還存在螺紋工作面被破壞的可能性，而這些情況對(duì)螺栓都是不利因素。對(duì)碟簧而言，長期處于壓平狀態(tài)，在極限載荷狀態(tài)下工作，會(huì)產(chǎn)生蠕變和松弛，并且有發(fā)生疲勞斷裂的可能。對(duì)填料而言，要承受碟簧組壓平所施加的極限載荷，會(huì)由于扭矩過大而造成摩擦力過高，操作轉(zhuǎn)矩過大，并導(dǎo)致填料潤滑劑擠出，縮短填料的使用壽命。因此，在填料壓蓋和螺母之間加導(dǎo)向套，導(dǎo)向套兩端裝有經(jīng)硬化、磨削、拋光并少許涂油的盤片，碟簧組安裝在兩個(gè)盤片之間。這樣避免了螺栓因碟簧橫向滑移而破壞螺紋工作面，同時(shí)導(dǎo)向套的高度根據(jù)填料密封所需的最佳載荷，并考慮碟簧的最佳工作狀態(tài)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，既保證填料有效密封，又使碟簧處于非壓平的最佳工作狀態(tài)，并能獲得補(bǔ)償，真正實(shí)現(xiàn)動(dòng)載荷填料系統(tǒng)的功能。