高溫氧氣用金屬硬密封球閥的研究與設計

　　介紹了高溫氧氣用金屬硬密封球閥的原理與結構特點， 闡述了其設計重點和生產控制過程。

　　氧氣切斷閥是煤化工工藝裝置中的一類重要閥門， 安裝于燃燒器供氧回路中， 對預熱氧氣、氧氣蒸汽混合氣等進行切斷控制。其工作溫度最高可達到450 ℃， 工作壓力最大可達到5.5 MPa， 且氧氣為強助燃劑， 泄漏等級要求為Ⅵ級。在如此苛刻的工況條件下， 金屬硬密封球閥是其最好的選擇。

1、高溫氧氣用金屬硬密封球閥的設計參數

　　以煤化工工藝裝置中DN200 mm 高溫氧氣用金屬硬密封球閥為例， 其工藝參數如表1 所示。

表1 球閥工藝參數

2、高溫氧氣用金屬硬密封球閥的材料選擇

　　高溫氧氣用金屬硬密封球閥的閥體和主要零部件材料的選擇很重要， 要依據其工作溫度、工作壓力和介質特性進行選擇， 同時還要考慮到材料的加工工藝性和經濟性。由于氧氣介質要求管路系統(tǒng)內部不能產生氧化銹蝕， 因此球(氧) 閥材料一般采用鉻鎳不銹鋼等耐腐蝕鋼。煤氣化裝置中的氧氣用金屬硬密封球閥的閥體材料通常采用CF8M 或F316， 球體和閥座材料采用316， 密封面噴涂硬質合金， 主要零部件材料采用316。高溫情況下閥體材料采用INCONEL 600 或625 的鑄件或鍛件， 球體和閥座材料采用INCONEL 600 或625， 密封面噴涂硬質合金， 主要零部件材料采用INCONEL 600 或625。彈性元件(碟簧或彈簧) 的材料采用INCONEL X-750， 保證在高溫狀況下提供足夠的預緊力。

3、高溫氧氣用金屬硬密封球閥的結構設計

　　高溫氧氣用金屬硬密封球閥結構如圖1 所示。

1—主閥體 2—副閥體 3—下閥桿 4—球體 5—閥座 6—壓環(huán) 7—彈簧 8—加長閥頸 9—上閥桿 10—填料函 11—填料 12—壓套 13—壓板 14—支架 15—氣動執(zhí)行機構

圖1 高溫氧氣用金屬硬密封球閥結構

　　3.1、閥座與球體的密封

　　根據ANSI B16.104 標準， 粉煤或是渣水介質用的金屬硬密封球閥密封等級要求為Ⅴ級。由于氧氣是一種危險介質， 任何的外漏和內漏都可能造成燃燒、爆炸等嚴重后果， 因此密封等級要求為Ⅵ級。球體與閥座間的密封， 是控制氧閥內漏的關鍵環(huán)節(jié)， 要求達到嚴格的Ⅵ級密封。球、座的加工精度要求非常高， 圓度要求達到μm 級， 表面粗糙度參數Ra≤0.2 μm。需要精密數控球面專用磨床加工， 再經球座對研， 才能達到氧閥的嚴格要求。

　　3.2、閥桿低泄漏控制

　　通常金屬硬密封球閥閥桿處采用O 形圈、PTFE 填料或石墨盤根密封。對于高溫氧氣用金屬硬密封球閥， O 形圈和PTFE 填料不能滿足高溫工況要求， 故不能使用。而石墨盤根通常含有雜質，也不能應用于氧氣介質。因此高溫氧氣用金屬硬密封球閥采用石墨環(huán)密封， 并采用碟形彈簧進行動態(tài)加載， 實現對填料磨損時的動態(tài)補償， 以保證閥門閥桿處的密封。

　　3.3、加長閥頸設計

　　由于介質為高溫氧氣， 設計溫度達到450 ℃，氣動執(zhí)行機構要遠離高溫區(qū)域， 因此設計加長閥頸， 以保證氣動執(zhí)行機構的正常工作。

　　3.4、氣動執(zhí)行機構的選擇

　　由于高溫氧氣用金屬硬密封球閥的球體和閥座密封面之間是金屬對金屬， 沒有任何潤滑劑， 如果氣動執(zhí)行機構輸出力矩不足， 很容易出現球體與閥座之間卡滯的情況， 影響閥門的正常工作， 因此，氣動執(zhí)行機構的選擇很重要。在正常氣源壓力下，氣動執(zhí)行機構提供的輸出力矩為閥門在最大壓差下計算力矩的1.5 倍以上， 因此完全能使閥門正常地、穩(wěn)定地啟閉。

5、生產制造及試驗

　　高溫氧氣用金屬硬密封球閥生產制造過程的控制很重要， 有別于其它介質用金屬硬密封球閥的生產要求， 它的要求更為嚴格。高溫氧氣用金屬硬密封球閥裝配完成以后， 要按照API 598 規(guī)范進行試驗， 達到要求方為合格。

　　5.1、閥體及零件的加工

　　(1) 氧氣是一種助燃劑， 閥體內腔應盡量圓滑過渡， 避免尖角和銳角， 避免形成死腔， 防止介質在腔內聚集。

　　(2) 針對高溫氧氣用金屬硬密封球閥， 需要專門制定加工工藝， 從而確保閥體及零件的尺寸、公差及表面粗糙度滿足圖紙精度要求。

　　5.2、閥體及零件的檢驗

　　(1) 氧氣一旦泄漏， 就可能引起爆炸、起火等重大事故， 直接危及到整個裝置及操作人員的安全。因此， 閥體需要嚴格檢驗， 特別是鑄件， 有嚴格的檢查驗收程序， 一旦發(fā)現不合格品要及時處理。

　　(2) 針對高溫氧氣用金屬硬密封球閥， 采取更加嚴密的質量控制程序， 從而確保閥體及零件的尺寸、公差和表面粗糙度滿足圖紙精度要求。

　　5.3、零件清洗

　　(1) 氧閥內腔不允許積存有固體雜質， 以避免在介質流動時因碰撞產生火花。氧閥凡與氧接觸的部位要嚴格脫油脫脂， 脫油脫脂后用不含油的干空氣或氮氣吹凈。對于可超聲波清洗的零件， 按照清洗規(guī)程對零件進行清洗。

　　(2) 所有零件清洗干燥后， 為避免二次污染，需用干凈的聚乙烯薄膜進行袋裝、包扎保護。

　　5.4、整機裝配

　　(1) 整機裝配過程需要在凈化房內完成。

　　(2) 氧閥嚴禁閥門內部有油污， 在裝配及移動過程中要避免油污進入。

　　(3) 每一臺氧閥的裝配都要有詳細的裝配記錄，做到出了問題有據可查， 責任落實到人。

　　(4) 對氧閥裝配人員實行專人專崗， 并定期進行崗位培訓， 確保閥門的裝配質量。

　　5.5、整機試驗

　　試驗項目主要包括殼體試驗、閥桿密封試驗、閥座密封試驗、開關扭矩檢測。針對高壓氧氣用金屬硬密封球閥的每一項試驗， 要制定詳細的試驗程序， 要求試驗人員嚴格按照試驗程序進行試驗。

　　5.6、整機入庫

　　(1) 整機試驗通過后， 在入庫前需要對閥門的外表進行擦洗和干燥。

　　(2) 用干凈的聚乙烯薄膜進行袋裝、包扎密封，避免雜質進入。

　　(3) 檢驗員要按檢驗規(guī)程對閥門進行檢驗。

6、結語

　　通過縝密的設計和嚴格的生產管理， 我公司設計生產的高溫氧氣用硬密封球閥為航天粉煤加壓氣化裝置濮陽、臨泉兩個示范項目提供了4 種規(guī)格高溫氧閥共計23 臺， 實現產值約1000 萬元， 替代了昂貴的進口產品。氧閥運行狀況良好， 性能優(yōu)越，受到業(yè)主的好評。目前我公司生產的高溫氧氣硬密封球閥已有DN25~200 mm 共6 種規(guī)格， 年產高溫氧閥數量達250 臺， 能滿足每年配套約10 套航天粉煤加壓氣化裝置所需的氧閥， 取得了良好的經濟效益和社會效益。