金屬硬密封防結(jié)焦三通球閥Q44M

                     金屬硬密封防結(jié)焦三通球閥Q44M

                      上海申弘閥門有限公司

之前介紹組合式減壓閥產(chǎn)品檢驗(yàn)報(bào)告，現(xiàn)在介紹金屬硬密封防結(jié)焦三通球閥Q44M介紹了在延遲焦化裝置中使用高溫防結(jié)焦耐磨球閥的必要性，高溫防結(jié)焦耐磨球閥的典型應(yīng)用、技術(shù)難點(diǎn)和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，以及防結(jié)焦耐磨球閥的高溫性能試驗(yàn)。
關(guān)鍵字：延遲焦化 高溫防結(jié)焦耐磨球閥 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)焦化爐三通球閥應(yīng)用于焦化廠的焦?fàn)t高壓氨水噴射循環(huán)系統(tǒng)高低壓轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的L型三通球閥，由于該部位的工況條件比較特殊，L型三通球閥在安裝運(yùn)行兒個(gè)月甚至兒天就產(chǎn)生泄漏，使系統(tǒng)壓力降低，泄漏的高壓氨水將焦?fàn)t內(nèi)煤粉吸帶至集氣管，嚴(yán)重的造成炭化室負(fù)壓，既影響焦炭質(zhì)量，又影響爐體的嚴(yán)密性。由于該閥門安裝在焦?fàn)t頂部，該部位溫度高、勞動(dòng)條件差，給閥門的更換帶來了很大的困難。閥門的頻繁更換，也給工廠造成了很大的經(jīng)濟(jì)損失，并且也嚴(yán)重的污染了環(huán)境。

金屬硬密封防結(jié)焦三通球閥Q44M標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)參數(shù)
閥  體
公稱通徑：DN15-DN200
閥體材質(zhì)：WCB、304、316、316L
連接方式：法蘭
壓力等級：PN1.6－4.0MPa
結(jié)構(gòu)形式：浮動(dòng)球芯

閥內(nèi)組件
閥座密封：PTFE：-20°～180°
PPL：-20°～250°
閥芯材質(zhì)：304、316、316L
閥桿材質(zhì)：304
結(jié)構(gòu)方式：分流、換向
適用介質(zhì): 氨水



為了追求更好的經(jīng)濟(jì)效益，我國大型煉化裝置煉制原油的含硫、含酸比例在不斷上升。煉化裝置具有高溫、介質(zhì)含有大量硬固體顆粒等復(fù)雜工況條件，傳統(tǒng)閥門無法適用。金屬硬密封耐磨球閥很好的解決了這一問題。我國大型煉油項(xiàng)目延遲焦化裝置中使用的高溫防結(jié)焦金屬硬密封耐磨球閥，主要采用進(jìn)口的VELAN球閥。近年來部分進(jìn)口金屬硬密封耐磨球閥已被國產(chǎn)閥門所取代。目前我國生產(chǎn)制造的金屬硬密封耐磨球閥的大公稱尺寸已達(dá)到DN800（NPS32），高公稱壓力已達(dá)到PN420（Class2500），高設(shè)計(jì)溫度達(dá)到600℃。
1 高溫防結(jié)焦耐磨球閥
焦化是使重質(zhì)油品加熱裂解，聚合變成輕質(zhì)油、中間餾分油和焦炭的加工過程。延遲焦化是一種石油二次加工技術(shù)，是以渣油（一般為減壓渣油）為原料、在高溫（500~550℃）下進(jìn)行深度熱裂反應(yīng)的一種加熱過程。減壓渣油在管式爐中加熱，采用高流速及高熱強(qiáng)度，使其在加熱爐中短時(shí)間內(nèi)達(dá)到焦化反應(yīng)所需的溫度，然后迅速進(jìn)入焦炭塔，使焦化反應(yīng)不在加熱爐而是延遲到焦炭塔中進(jìn)行，故稱之為延遲焦化。延遲焦化裝置運(yùn)行的主要矛盾為：使用的原料為重質(zhì)油，重質(zhì)油在高溫下容易結(jié)焦，但希望它在焦炭塔中結(jié)焦，而不希望它在加熱爐、焦炭塔餾出線和分餾塔底等處結(jié)焦。所以除了工藝采取諸如：在焦炭塔出口管線上打急冷油，在原料油進(jìn)加熱爐輻射管之前注入蒸汽或軟化水等措施外，還應(yīng)該防止管線上閥門的結(jié)焦。高溫防結(jié)焦耐磨球閥有效地解決了延遲焦化裝置中閥門使用過程要解決的三個(gè)突出問題：耐受500℃的高溫；防止高溫下的油氣結(jié)焦；消除焦粉對密封面的沖刷。
Q44F焦化球閥說明：
主要用于截?cái)嗷蚪油ń橘|(zhì)，也可用于流體的調(diào)節(jié)與控制，V型球閥能夠進(jìn)行比較的流量調(diào)節(jié)與控制，而三通球閥則用于分配介質(zhì)和改變介質(zhì)的流向。與其它閥類相比，球閥具有如下的一些優(yōu)點(diǎn)：
1、流體阻力小，球閥是所有閥類中流體阻力小的一種，即使是縮徑球閥，其流體阻力也相當(dāng)小。
2、開關(guān)迅速、方便，只要閥桿轉(zhuǎn)動(dòng)90°，球閥就完成了全開或全關(guān)動(dòng)作，很容易實(shí)現(xiàn)快速啟閉。
3、密封性能好。球閥閥座密封圈一般采用聚四氟乙烯等彈性材料制造，易于保證密封，而且球閥的密封力隨著介質(zhì)壓力的增加而增大。
4、閥桿密封可靠。球閥啟閉時(shí)閥桿只作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，因此閥桿的填料密封不易被破壞，而且閥桿倒密封的密封力隨著介質(zhì)壓力的增加而增大。
5、球閥的啟閉只做90°轉(zhuǎn)動(dòng)，故容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制和遠(yuǎn)距離控制，球閥可配置氣動(dòng)裝置、電動(dòng)裝置、液動(dòng)裝置、氣液聯(lián)動(dòng)裝置或電液聯(lián)動(dòng)裝置。
6、球閥通道平整光滑，不易沉積介質(zhì)，可以進(jìn)行管線通球。1.1 高溫防結(jié)焦耐磨球閥在延遲焦化裝置中的典型應(yīng)用
上海申弘閥門有限公司主營閥門有：減壓閥(氣體減壓閥,可調(diào)式減壓閥,水減壓閥,蒸汽減壓閥延遲焦化典型的工藝流程有一爐兩塔、兩爐四塔等。焦炭塔是輪換使用的，即當(dāng)一個(gè)塔內(nèi)焦炭聚結(jié)到一定高度時(shí)，即進(jìn)行切換，通過四通閥將進(jìn)料切換進(jìn)另一個(gè)塔。下面以一爐兩塔流程為例，介紹焦化高溫防結(jié)焦耐磨球閥在焦化裝置中的典型應(yīng)用。圖1中加熱爐出口閥和一道甩油閥通常采用高溫防結(jié)焦耐磨球閥。圖2為已運(yùn)至現(xiàn)場的高溫防結(jié)焦球閥的實(shí)物圖。圖3為高溫防結(jié)焦耐磨球閥在現(xiàn)場的應(yīng)用。
（1）延遲焦化裝置中高溫防結(jié)焦耐磨球閥的工況條件
焦化裝置中高溫防結(jié)焦耐磨球閥的使用介質(zhì)一般為含有焦粉的油品、減壓渣油和蒸汽，工作溫度在500℃左右，工作壓力為0.5MPa左右。在此工況條件下，閥門處于易結(jié)焦和高溫的工況條件下，就必須具備耐腐蝕、耐磨、耐沖刷、防結(jié)焦及快速切斷等功能。
（2）延遲焦化裝置中高溫防結(jié)焦耐磨球閥所用的閥門材料
經(jīng)過焦化加熱爐后，介質(zhì)中的環(huán)烷酸大部分會發(fā)生分解。因此，焦炭塔頂大油氣線以及焦化爐出口至焦炭塔管線的腐蝕機(jī)理主要為高溫硫腐蝕。所以在此高溫重油部位的管道材質(zhì)選用12Cr5Mo。閥體的材質(zhì)不應(yīng)低于球閥所在系統(tǒng)管道的材質(zhì)，這就使得高溫防結(jié)焦耐磨球閥的閥體一般選為ASTMA217C12（鉻鉬鋼），球體一般選為ASTMA487Gr.CA6NM（鉻鎳鉬鋼）或其相似甚至性能更高的其他材質(zhì)。

圖中：加熱爐出口閥的工作溫度在500℃，工作壓力為0.5MPa，持續(xù)工作時(shí)間8400h；一道甩油閥的工作溫度在500℃/450℃，工作壓力為0.6MPa/0.3MPa，若一個(gè)生產(chǎn)周期24h的話，一道甩油閥工作18h。


圖1 高溫防結(jié)焦耐磨球閥在延遲焦化中的典型應(yīng)用
已運(yùn)至現(xiàn)場的高溫防結(jié)焦球閥的實(shí)物圖
防結(jié)焦球閥在現(xiàn)場的安裝圖
1.2 延遲焦化裝置高溫防結(jié)焦耐磨球閥的介質(zhì)工況特性及對閥門的要求
（1）介質(zhì)中含有焦粉，容易在閥座、球體、閥軸等部位結(jié)焦、沾結(jié)，容易導(dǎo)致閥門卡死或密封失效。因此要求閥門對閥座、閥門中腔、閥門填料等部位進(jìn)行有效防護(hù)，阻止結(jié)焦介質(zhì)在閥門工作過程中進(jìn)入閥內(nèi)。
（2）閥座采用刮刀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。刮刀式閥座具有自清潔功能，在閥門開關(guān)過程中，閥座對球面有刮刷動(dòng)作，能有效減少球面污物進(jìn)入密封副，保證密封可靠。
（3）閥門用于高溫工況，高工作溫度為500℃，由于閥門零部件的熱脹冷縮，容易導(dǎo)致閥門在高溫下的卡死而無法實(shí)現(xiàn)啟閉動(dòng)作。閥門結(jié)構(gòu)、尺寸設(shè)計(jì)和選材時(shí)要確保高溫工況正常工作，不發(fā)生卡死。
（4）閥門可靠性要求高，閥門的動(dòng)作失效將導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的停車。
（5）閥座的密封等級要求為ANSIFCI70-2VI級。
1.3 高溫防結(jié)焦耐磨球閥的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和制造特點(diǎn)
高溫防結(jié)焦耐磨球閥是在浮動(dòng)球閥的基礎(chǔ)上予以結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的改進(jìn)，以適應(yīng)高溫、耐腐蝕、耐沖刷和易結(jié)焦的工況要求，提高閥門使用壽命。
高溫防結(jié)焦耐磨球閥在設(shè)計(jì)階段應(yīng)采用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，進(jìn)行有限元分析和閥門在500℃時(shí)的溫度場分析，參照分析結(jié)果和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)調(diào)整閥門結(jié)構(gòu)和內(nèi)件設(shè)計(jì)尺寸。
高溫防結(jié)焦球閥的結(jié)構(gòu)示意圖和三維剖面圖如圖2和圖3所示，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)歸納如下：

1-閥體；2-波紋管；3-閥前閥座；4-球體與閥桿；5-閥后閥座
圖2 高溫防結(jié)焦耐磨球閥



圖3 高溫防結(jié)焦耐磨球閥的三維剖面圖
（1）全通徑結(jié)構(gòu)。球體通道直徑與管路直徑相同，流阻小，流通能力大，排渣方便。
（2）浮動(dòng)球閥，閥后單向密封結(jié)構(gòu)。進(jìn)口端為高壓端，閥門在關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，在介質(zhì)壓力的作用下，球體產(chǎn)生一定的位移，緊壓在出口端的閥座密封面上，從而保證出口端的密封。
因閥門是單向密封結(jié)構(gòu)，在現(xiàn)場安裝時(shí)，必須注意安裝方向正確。
（3）分體式球閥。防結(jié)焦球閥進(jìn)口端的閥座為波紋管閥座，出口端為可在閥體嵌入槽中滑動(dòng)的金屬閥座，閥體和閥座之間設(shè)置密封墊。
（4）波紋管的設(shè)置。因高溫防結(jié)焦耐磨球閥在高溫工況下運(yùn)行時(shí)，球體、閥座等內(nèi)件都會因熱膨而使尺寸增大，內(nèi)件沿閥門通道軸向方向上的尺寸膨脹，是導(dǎo)致高溫下閥門啟閉卡死的主要原因。為防止在高溫情況下因球體等內(nèi)件受熱膨脹而卡死，因此在閥前閥座背后設(shè)置波紋管，其波紋管詳圖如圖4所示。
焦化球閥詳細(xì)說明
該系列球閥特別適用于各焦化廠焦?fàn)t氨水、噴射循環(huán)系統(tǒng)高低壓轉(zhuǎn)換時(shí)使用。
一、閥門的連接尺寸與原三通球閥相同，更換方便。
二、特制的增強(qiáng)聚四氟乙烯封圈，其耐磨強(qiáng)度大大提高，顯著提高密封圈的使用壽命。
三、*的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，不僅大大降低了生產(chǎn)成本，而且使加工與維修更加簡單化。
四、帶倒密封結(jié)構(gòu)的下裝式閥桿，不僅防止了閥桿脫出，而且閥桿部位的密封更加可靠。
五、外型結(jié)構(gòu)緊湊，*三塊式設(shè)計(jì)使閥門外觀更。



1-波紋管；2-閥座
圖4 放大的波紋管與閥座的連接
波紋管通常采用Inconel625材料制作，采用電子束焊或氬弧焊與閥座和襯套相焊接。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)保證閥座密封中心小于波紋管中徑，這樣能使密封可靠。波紋管的彈性加載結(jié)構(gòu)，能在正常關(guān)閉情況下確保球體密封面和閥座密封面間的緊密接觸，在高溫下能有效補(bǔ)償內(nèi)件受熱膨脹，避免因高溫而導(dǎo)致的卡阻。



圖5 刮刀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
（5）應(yīng)用超音速噴涂密封面。針對焦粉沖刷工況，球體和閥座密封面采用超音速噴涂技術(shù)，通過噴涂不同的材料提高密封面硬度，以提高耐沖刷和耐磨損的使用壽命。
超音速噴涂技術(shù)提供了的噴涂工藝，而決定涂層硬度的關(guān)鍵是合理選擇涂層金屬材料。良好的涂層材料能使球體和密封面形成超硬密封，可以在很大程度上解決高溫下密封面耐磨性下降的缺陷。特別是在500℃高溫下還可以保持較高的硬度，不會被焦粉等顆粒介質(zhì)劃傷，確保密封面可靠長久使用。
（6）精密加工。在保證密封面硬度的基礎(chǔ)上，球體及閥座密封面制造精度、表面粗糙度、球面與閥座密封圈吻合度是保證高溫防結(jié)焦球閥應(yīng)用成功的關(guān)鍵。采用球面磨床磨削以及研磨機(jī)配對研磨是很好的工藝方法，能使球體與閥座密封面的幾何精度和表面粗糙度達(dá)到設(shè)計(jì)要求，實(shí)現(xiàn)高吻合度及可靠密封。
（7）球桿一體化結(jié)構(gòu)。閥門采用球桿一體化結(jié)構(gòu)，保證了球體與閥桿的同心度，球、桿整體剛度、強(qiáng)度大，工作可靠。
（8）閥座刮刀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。刮刀式閥座具有自清潔功能，在閥門開關(guān)過程中，閥座對球面有刮刷動(dòng)作，能有效減少球面污物進(jìn)入密封副，保證密封可靠。刮刀結(jié)構(gòu)詳圖如圖5所示。
閥座刮刀硬度比球面硬度稍低，當(dāng)閥座刮刀的刃口刮削球體表面的結(jié)焦物時(shí)不會損壞球體密封面，閥門每次開啟或者關(guān)閉過程中能對球體密封面進(jìn)行刮擦作用，防止固體顆粒進(jìn)入閥座密封區(qū)域，而影響閥座的密封，有效提高閥座密封性能和使用壽命。
特別注意：閥座刮刀刃口一般為90°，加工中不能倒角，否則失去刮刀功能。
（9）蒸汽吹掃結(jié)構(gòu)。由于焦化介質(zhì)中含有極細(xì)的焦粉，容易在閥座、球體、閥軸等部位結(jié)焦、沾結(jié)，導(dǎo)致閥門卡死或密封失效。采用蒸汽吹掃對閥門的波紋管內(nèi)外、閥門中腔、填料箱等部位進(jìn)行吹掃保護(hù)，能有效地防止殘?jiān)约捌嘟狗鄣任锪线M(jìn)入閥體空腔中，避免因焦粉累積而產(chǎn)生問題。在閥門處于工作狀態(tài)下，吹掃蒸汽壓力高于管道介質(zhì)壓力，就可以起到保護(hù)和屏障作用。


2 高溫模擬實(shí)驗(yàn)
由于焦化防結(jié)焦球閥是處于高溫且介質(zhì)硬度較高、條件極其惡劣的工況，所以容易出現(xiàn)閥門在高溫下“抱死”無法啟閉，或密封面關(guān)不嚴(yán)不耐沖刷等問題。為確保閥門在實(shí)際工況條件下滿足使用要求，確保產(chǎn)品質(zhì)量，所以要求對高溫防結(jié)焦耐磨球閥除了進(jìn)行常規(guī)的殼體實(shí)驗(yàn)，閥座密封試驗(yàn)、開關(guān)扭矩試驗(yàn)外還應(yīng)進(jìn)行高溫啟閉和高溫密封試驗(yàn)。
值得注意的是，對閥門進(jìn)行室溫下的閥座密封試驗(yàn)合格，不能表示閥門處于高溫（或低溫）工況下使用時(shí)仍能達(dá)到閥座密封要求。對于防結(jié)焦球閥，其在高溫下發(fā)生密封泄漏時(shí)，夾雜焦粉等固體顆粒的氣象或液相介質(zhì)會對閥座、球體表面產(chǎn)生十分劇烈的沖蝕，導(dǎo)致閥門密封失效。
（1）高溫啟閉動(dòng)作和高溫閥座密封試驗(yàn)
閥門連接試壓盲板、試壓管路、測量熱電偶，采用電爐或履帶加熱器方式對防結(jié)焦球閥進(jìn)行加熱。熱電偶檢測通道內(nèi)閥座和球體表面溫度，當(dāng)達(dá)到500℃時(shí)，進(jìn)行閥門高溫啟閉試驗(yàn)，同時(shí)進(jìn)行閥座氣密封試驗(yàn)。
（2）高溫吹掃試驗(yàn)
依次檢測波紋管內(nèi)側(cè)、波紋管外側(cè)、閥體中腔、填料箱吹掃系統(tǒng)是否順暢，先把要檢測的吹掃系統(tǒng)的氣源打開，其余吹掃系統(tǒng)的氣源不要打開，然后進(jìn)行閥門的開啟動(dòng)作，觀察閥體中腔吹掃系統(tǒng)是否順暢。


3 結(jié)論
由于能同時(shí)滿足高溫、耐磨、耐腐蝕、防結(jié)焦和開關(guān)方便等要求，金屬硬密封防結(jié)焦球閥在延遲焦化裝置中獲得了廣泛的應(yīng)用，促進(jìn)了球閥技術(shù)的快速發(fā)展。了解延遲焦化裝置運(yùn)行的工況參數(shù)和要求，掌握金屬硬密封防結(jié)焦球閥結(jié)構(gòu)、制造、檢驗(yàn)特點(diǎn)，對生產(chǎn)制造能滿足使用要求的防結(jié)焦球閥具有重要意義。目前國內(nèi)的一些閥門制造企業(yè)生產(chǎn)的高溫防結(jié)焦耐磨球閥已經(jīng)可以逐步替代進(jìn)口的同類產(chǎn)品，這將有效降低煉化企業(yè)的采購成本，推進(jìn)我國煉化事業(yè)的發(fā)展。與本產(chǎn)品相關(guān)論文：TA4鈦合金旋塞閥