PTA裝置氫溴酸強(qiáng)腐蝕用高溫耐磨硬密封球閥的研究與設(shè)計(jì)

2014-09-04 張娜蘭州高壓閥門有限公司

　　根據(jù)PTA裝置中氫溴酸腐蝕性強(qiáng)、溫度高、沖蝕強(qiáng)以及顆粒硬度高等特點(diǎn)，研究設(shè)計(jì)出了相應(yīng)PTA裝置用抗氫溴酸強(qiáng)腐蝕、耐高溫、耐磨的哈氏C合金密封比壓高、具有自潔功能的硬密封球閥。

一、前言

　　PTA是化纖等工業(yè)的重要有機(jī)原料之一。隨著石油化工業(yè)的發(fā)展，PTA被廣泛用于化學(xué)纖維、輕工、電子、建筑等國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)方面。PTA裝置用的耐蝕、耐磨損、高溫硬密封球閥的工作介質(zhì)為醋酸且含少量氫溴酸、對(duì)苯二甲酸漿料，工作溫度為200℃。因此，介質(zhì)具有強(qiáng)烈的腐蝕性，顆粒硬度高磨損及沖蝕強(qiáng)等特點(diǎn)。由于普通軟密封球閥的閥座一般采用聚四氟乙烯(PTFE)，增強(qiáng)型聚四氟乙烯(RPTFE)或其他高分子合成材料，使用溫度一般都不高于180℃。并且使用介質(zhì)中一般不允許帶有堅(jiān)硬的固體顆粒或纖維成分，否則軟密封閥門的閥座就會(huì)劃傷而使密封失效。這就限制了普通軟密封球閥在PTA裝置中的應(yīng)用，真空技術(shù)網(wǎng)(http://genius-power.com/)認(rèn)為醋酸和氫溴酸具有超強(qiáng)腐蝕性，一般不銹鋼等材料難以抗其腐蝕，而只有哈氏合金C-276(HastelloyC-276)才能抗醋酸和氫溴酸的超強(qiáng)腐蝕性。目前滿足此類裝置條件的硬密封球閥大部分依賴國(guó)外進(jìn)口。

二、硬密封球閥的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

　　根據(jù)PTA裝置條件，適用于高溫、高壓、強(qiáng)腐蝕性以及含對(duì)二甲酸漿料顆粒等介質(zhì)的新型硬密封球閥應(yīng)具有如下特點(diǎn)：

　　(1)耐高溫能長(zhǎng)期工作在不低于450℃的高溫狀態(tài)下，適用于大多數(shù)高溫工況條件要求。

　　(2)耐高壓能在壓力級(jí)不低于CL600的工況下長(zhǎng)期工作。

　　(3)耐腐蝕能滿足抗醋酸和氫溴酸的強(qiáng)烈腐蝕性能。

　　(4)耐磨損能滿足對(duì)苯二甲酸漿料等(漿料中固體顆粒硬度為52HRC)特殊介質(zhì)的耐磨性要求。

　　(5)雙向密封能保證閥門的雙向密封，使閥門的密封性能得到提高。同時(shí)也保證了介質(zhì)逆向流動(dòng)時(shí)的密封性能，為防止介質(zhì)倒流提供了必要的保障。

　　(6)耐沖蝕閥座選用了Ni-Cr-Mo系列的耐腐蝕性能極佳的哈氏C(HastelloyC)鎳基合金，它含有極低的碳和硅，具有良好的耐腐蝕性;球體選用了沉淀硬化Ni-Cr-Fe耐腐蝕性能好、強(qiáng)度和硬度高的英康乃爾鎳基合金。它的硬度系數(shù)高，耐磨性好。由于所選密封材料之間的合適硬度差和密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，保證了閥門的使用壽命。

三、技術(shù)難點(diǎn)

　　相對(duì)普通的硬密封球閥來(lái)說(shuō)，PTA裝置用硬密封球閥要適用于高溫、高壓、強(qiáng)腐蝕、強(qiáng)沖蝕等工況條件，在設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中存在不少技術(shù)難點(diǎn)。

　　(1)密封比壓高PTA裝置用高溫耐腐蝕耐磨硬密封球閥由于采用金屬材料為密封面，所需要的密封比壓比軟密封要求高得多，因此，如何從設(shè)計(jì)上保證適當(dāng)?shù)拿芊獗葔�，提高零件的幾何公差及提高表面粗糙度要求是十分重要的�?/p>

　　(2)保障自潔功能固體顆粒黏附在球體上，在閥門啟閉過(guò)程中，介質(zhì)顆粒被帶到閥座與球體密封面之間，破壞了球體與閥座之間的密封副，從而影響了閥門的密封性能，使閥門的使用壽命大大縮短。這就要求閥門的閥座與球體間，閥座具有“刀口”功能，在運(yùn)行中可以將黏附在球體上的漿料顆粒沉淀硬化物質(zhì)“刮削”掉，即要求該球閥具有很好的“自清潔”功能，從而保證球體和閥座密封副不被破壞。

　　(3)加工難由于PTA裝置用高溫耐腐蝕、耐磨硬密封球閥的密封表面均采用超硬材料，用普通刀具無(wú)法加工，即使能加工其加工精度也不能滿足要求，同時(shí)還要求加工設(shè)備具有足夠的強(qiáng)度，因此選擇合適的刀具非常重要。

四、問(wèn)題解決方法

　　根據(jù)上述技術(shù)難點(diǎn)，要設(shè)計(jì)和制造出相應(yīng)PTA裝置用高溫耐腐蝕耐磨硬密封球閥，就必須有切合實(shí)際的可行性解決方法。

　　(1)閥座彈簧補(bǔ)償結(jié)構(gòu)由于采用金屬材料作為密封面，所需密封比壓比軟密封要高得多，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上保證提供密封比壓顯得尤為重要。所以采用“彈簧+閥座”的組合閥座結(jié)構(gòu)，通過(guò)彈簧提供初始預(yù)緊密封比壓。閥座外徑裝有特殊材質(zhì)的O形耐高溫的密封圈，閥座與閥體閥座孔動(dòng)配合，使浮動(dòng)閥座有活塞效應(yīng)，在彈簧預(yù)緊力的作用下使兩邊閥座緊緊地抱緊球心，達(dá)到進(jìn)口、出口雙向及低壓、高壓均可密封的效果，并可做到零泄漏。閥座密封面設(shè)計(jì)成梯形環(huán)面，可以極好地阻止固體顆粒進(jìn)入閥座后面的彈簧，而使彈簧始終能正常的工作，因而保證了球體與閥座之間的良好密封。

　　(2)密封副配對(duì)材料密封副配對(duì)材料的選擇直接關(guān)系到閥門的性能，使用壽命和操作扭矩。根據(jù)熱處理?xiàng)l件以及機(jī)加工手段，閥座選用了Ni-Cr-Mo的耐腐蝕性能極佳的哈氏C(HastelloyC)鎳基合金，它含有極低的碳和硅，具有良好的耐腐蝕性。球體選用了沉淀硬化Ni-Cr-Fe耐腐蝕性能好、強(qiáng)度和硬度高的英康乃爾鎳基合金。它的硬度系數(shù)高。由于所選密封材料之間的合適硬度差和密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，使得該球閥具有良好的密封性能，耐腐蝕、耐高溫、耐磨損，啟閉輕松，使用壽命長(zhǎng)。同時(shí)還解決了由于頻繁開啟而造成密封面之間的磨損。

五、采取的技術(shù)方案

　　PTA用哈氏C合金(HastelloyC)耐腐蝕、高溫、耐磨球閥，包括左右體、中體、球體、閥座、閥桿、密封圈、底蓋、前蓋及傳動(dòng)裝置，其閥座密封形式選用了一種楔式帶有哈氏C合金的金屬絲成型柔性石墨密封環(huán)。高溫耐磨硬密封球閥如下圖所示。閥座設(shè)計(jì)成梯形環(huán)面，閥門為全通徑，三件式固定球，法蘭螺栓連接，閥體和球體通道為同一中心線，閥門的密封形式為線密封，閥座為浮動(dòng)閥座，雙重密封。

PTA裝置用抗氫溴酸高溫耐磨硬密封球閥