高温氧气用金属硬密封球阀的研究与设计

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Research and Design of M etal Hard Seated Ball Valve forHigh Temperature OxygenZhao Haiyan Li YufeiAbstract：Introduces the principle and structure characteristics of the metal hard seated bal valve for hightemperature oxygen，expounds the valve design emphasis and production process contro1。

Key words：Bal valve；Hi gh temperature；Oxygen；Metal hard sealing0 概述氧气切断阀是煤化工工艺装置中的-类重要阀门，安装于燃烧器供氧回路中，对预热氧气、氧气蒸汽混合气等进行切断控制。其工作温度最高可达到 450℃。工作压力最大可达到 5.5 MPa，且氧气为强助燃剂，泄漏等级要求为Ⅵ级。在如此苛刻的工况条件下.金属硬密封球阀是其最好的选择。

1 高温氯气用金属硬密封球阀的设计参数以煤化工工艺装置中DN200 mm高温氧气用金属硬密封球阀为例.其工艺参数如表 1所示。

2 高温氯气用金属硬密封球阀的材料选择高温氧气用金属硬密封球阀的阀体和主要零部件材料的选择很重要，要依据其工作温度、工作压力和介质特性进行选择，同时还要考虑到材料的加表 1 球阀工艺参数项目 参数 项目 参数用途 蠢萋善蓄 台 操作方式 气动执行器工艺介质 预热氧气 行程时间/s ≤5设计压力/MPa 5.5 泄漏等级 Ⅵ设计温度/℃ 450 故障时阀位置 故障关阀门规格 DN200工工艺性和经济性。由于氧气介质要求管路系统内部不能产生氧化锈蚀，因此球 (氧)阀材料-般采用铬镍不锈钢等耐腐蚀钢。煤气化装置中的氧气用金属硬密封球 阀的阀体材料通 常采用 CF8M或F316。球体和阀座材料采用 316，密封面喷涂硬质合金。主要零部件材料采用316。高温情况下阀体材料采用 INCONEL 600或 625的铸件或锻件 。球体和阀座材料采用 INCONEL 600或 625。密封面喷涂硬质合金 ，主要零部件材料采用 INCONEL赵海燕，女，1975年生，硕士，高级工程师。北京市，101ll1。

24 化工装备技术 第 34卷第 4期600或 625。弹性元件 (碟簧或弹簧)的材料采用INCONEL X-750，保证在高温状况下提供足够的预紧力。

3 高温氧气用金属硬密封球阀的结构设计高温氧气用金属硬密封球阀结构如图 l所示。

1-主阀体 2-副阀体 3-下阀杆 4-球体 5-阀座6-压环 7～弹簧 8-加长阀颈 9-上阀杆1O-填料函 l1-填料 12-压套 13-压板14-支架 15-气动执行机构图 1 高温氧气用金属硬密封球阀结构3.1 阀座与球体的密封根据 ANSI B16.104标准 。粉煤或是渣水介质用的金属硬密封球阀密封等级要求为V级。由于氧气是-种危险介质，任何的外漏和内漏都可能造成燃烧 、爆炸等严重后果。因此密封等级要求为Ⅵ级。球体与阀座间的密封.是控制氧阀内漏的关键环节，要求达到严格的Ⅵ级密封。球、座的加工精度要求非常高，圆度要求达到 m级，表面粗糙度参数 Ra

3.2 阀杆低泄漏控制通仇属硬密封球阀阀杆处采用 O形圈 、PTFE填料或石墨盘根密封。对于高温氧气用金属硬密封球阀，O形圈和PTFE填料不能满足高温工况要求。故不能使用。而石墨盘根通常含有杂质，也不能应用于氧气介质。因此高温氧气用金属硬密封球阀采用石墨环密封，并采用碟形弹簧进行动态加载。实现对填料磨损时的动态补偿。以保证阀门阀杆处的密封。

33 加长阀颈设计由于介质为高温氧气 ，设计温度达到450℃，气动执行机构要远离高温区域 .因此设计加长阀颈，以保证气动执行机构的正常工作。

3.4 气动执行机构的选择由于高温氧气用金属硬密封球阀的球体和阀座密封面之间是金属对金属，没有任何润滑剂。如果气动执行机构输出力矩不足，很容易出现球体与阀座之间卡滞的情况，影响阀门的正常工作 。因此，气动执行机构的选择很重要。在正常气源压力下，气动执行机构提供的输出力矩为阀门在最大压差下计算力矩的 1.5倍以上，因此完全能使阀门正常地、稳定地启闭。

4 高温氧气用金属硬密封球阀的设计计算4.1 阀体壁厚的计算按照 ASME B16.34-2009.阀体最小壁厚采用强制性附录Ⅵ的计算公式 ：tmO.0675d2.79C式中 广- 阀体最小壁厚，mm；d--阀体内径，mm；腐蚀余量，mm。

4.2 密封比压的计算阀座密封结构为双向密封结构，密封比压口为- -P(Djs-0"6DM-N-0.4DMw)87rRhcosq当qMr

式中 口--实际工作比压，MPa；R--球体半径，mm；--密封面在通道轴线方向的投影宽度，m m ；D--球体与密封圈的接触点与通道轴法向的夹角；p--计算压力，MPa；D w-- 阀座密封面外径 ，mm；DM --阀座密封面内径，mm；DIH--阀座外径，mm；gr 保证密封所需的比压(即密封比压)，MPa：3.50而Vo lb .M6广 密封面宽度，mm；q--密封材料的许用比压。

2013年 8月 赵海燕等：高温氧气用金属硬密封球阀的研究与设计4.3 总摩擦力矩的计算金属硬密封球阀的扭矩值表现为两端高中间低的曲线状，开启和关闭阀门时扭矩较大，而当阀门处于关闭状态承受最大工作压力时，开启瞬间的扭矩应为最大，且氧阀密封面禁油 ，没有任何润滑，容易发生卡涩现象，所以选用的气动执行机构在气源压力为 0.4 MPa时输出力矩应为计算值的 1.5倍以上 。

阀门扭矩 为MFMF M日寸M M血 血 cosp cospMz ：掣 ‰ .1.2盯砒T1zTd TDDpN式中 - 总摩擦力矩，N·m；% 阀座对球体的摩擦力矩，N·m；QQ，--进口端阀座对球体的作用力，N；Q 出口端阀座对球体的作用力，N；.，；Z- 阀座摩擦系数；阀座对球体的摩擦半径平均值，mm；球体与密封圈的接触点与通道轴法向的夹角：轴承对阀杆的摩擦力矩，N·m ；。

- 轴承摩擦系数；阀杆直径。mm；p--计算压力，MPa；- 填料对阀杆的摩擦力矩，N·m；1n--单圈填料与阀杆接触的高度，mm；广 填料圈数；。

填料与阀杆的摩擦系数；广- 垫片对阀杆的摩擦力矩，N·m；。

- - 垫片摩擦系数；DP- 垫片内径，mm；D - 垫片外径，mm。

5 生产制造及试验高温氧气用金属硬密封球阀生产制造过程的控制很重要.有别于其它介质用金属硬密封球阀的生产要求，它的要求更为严格。高温氧气用金属硬密封球阀装配完成以后，要按照API 598规范进行试验。达到要求方为合格。

5.1 阀体及零件的加工(1)氧气是-种助燃剂，阀体内腔应尽量圆滑过渡，避免尖角和锐角，避免形成死腔，防止介质在腔内聚集。

(2)针对高温氧气用金属硬密封球阀，需要专门制定加工工艺，从而确保阀体及零件的尺寸、公差及表面粗糙度满足图纸精度要求。

5.2 阀体及零件的检验(1)氧气-旦泄漏，就可能引起爆炸、起火等重大事故，直接危及到整个装置及操作人员的安全。

因此，阀体需要严格检验，特别是铸件 ，有严格的检查验收程序，-旦发现不合格品要及时处理。

(2)针对高温氧气用金属硬密封球阀，采取更加严密的质量控制程序，从而确保阀体及零件的尺寸、公差和表面粗糙度满足图纸精度要求。

5.3 零件清洗(1)氧阀内腔不允许积存有固体杂质，以避免在介质流动时因碰撞产生火花。氧阀凡与氧接触的部位要严格脱油脱脂，脱油脱脂后用不含油的干空气或氮气吹净。对于可超声波清洗的零件，按照清洗规程对零件进行清洗。

(2)所有零件清洗干燥后 ，为避免二次污染 ，需用干净的聚乙烯薄膜进行袋装、包扎保护。

(2)氧阀严禁阀门内部有油污，在装配及移动过程中要避免油污进入。

(3)每-台氧阀的装配都要有详细的装配记录，做到出了问题有据可查，责任落实到人。

(4)对氧阀装配人员实行专人专岗，并定期进行岗位培训，确保阀门的装配质量。

5.5 整机试验试验项 目主要包括壳体试验、阀杆密封试验、阀座密封试验、开关扭矩检测。针对高压氧气用金属硬密封球阀的每-项试验，要制定详细的试验程序，要求试验人员严格按照试验程序进行试验。

5.6 整机入库(1)整机试验通过后，在入库前需要对阀门的(下转第27页)2013年 8月 曹会敏等：WSA硫酸装置设计优化器管程并用冷空气来冷却，冷空气由风机提供。冷空气走壳程，从酸冷凝器上部进人，由底部出口得到热空气，热空气通过风机进入燃烧炉。同时含三氧化硫的混合气体被冷凝为 98%的液体硫酸。浓硫酸在玻璃管内沿内壁由上向下流动，下部流出的温度较高 的浓硫酸先与温度 为 40℃、流量为20 272 kg，h的浓硫酸混合进入浓硫酸槽 。此时，浓硫酸温度降为61℃。最后，再经过酸冷却器将浓硫酸冷却至 40℃，送至硫酸储罐。

2 运行中存在的问题(1)燃烧炉温度失控低温甲醇洗装置运行出现波动，造成来自低温甲醇洗装置的酸性气体中携带大量甲醇。甲醇进人燃烧炉燃烧。短时间内放出大量热量，造成温度失控；同时由于调整滞后，发生不完全燃烧，生成了碳。碳随气体-起进入转化器，由于催化剂吸附性强，碳就会被吸附在催化剂上，造成催化剂的压降(阻力)增大。

(2)催化剂压降大运行中经常发生催化剂压降增大的情况，造成系统无法运行，被迫停车对催化剂进行清理，有时- 年就需要清理 3～4次。由于清理次数多，造成催化剂被粉碎，使用 1～2年就需要更换催化剂。催化剂压降大的原因：燃烧不完全，造成碳吸附在催化剂上；此外，与空气-起进入系统的粉尘也会吸附在催化剂上。

(3)外送硫酸管线泄漏运行中外送硫酸管线经常发生泄漏，其中有个厂家为了对付硫酸管线泄漏.竟把外送管线改成了双线，-用-备。管线发生泄漏的原因：开停车时会生成稀酸，造成管线腐蚀。

(2)用干净的聚乙烯薄膜进行袋装、包扎密封，避免杂质进入。

6 结语通过缜密的设计和严格的生产管理，我公司设计生产的高温氧气用硬密封球阀为航天粉煤加压气3 优化设计方案及经济效益经过分析论证可知.该公司工艺流程和那几个厂家十分相似。投产后会面临同样的问题，这些问题如果不解决，将会对公司的环保和效益产生严重影响。经过技术人员多次专题研究，最终将该工艺设计方案做了三项优化：(1)来 自低温甲醇洗装置的酸性气体常携带甲醇，因此在酸性气体进燃烧炉前的管线中增加-个分离罐，当发生甲醇携带时可进行有效分离，从而可避免装置运行时发生催化剂压降增高、燃烧炉温度失控等情况。

(2)在输送燃烧空气的风机前增加-个除尘器，将空气中尘粒过滤干净。

通过以上三项优化措施，比较其他厂家情况 ，每年催化剂可以少过-次筛，节约检修时间和开停车时间 10天，催化剂使用寿命从 2年增加到5年，因酸雾失控而导致的停车故障每年减少到3次。

催化剂使用寿命由2年延长到 5年，折算成资金为每年可节约 30万元。生产装置每年多运行 lO天产生的经济效益为硫酸 15万元，甲醇 2.4万元。

如果 WSA硫酸装置因故障而不能运行 ，H2s气体就只能燃烧掉，这样会对大气造成严重污染。

如果因酸雾失控造成停车.也将对环境造成严重污染。目前 WSA硫酸装置通过优化设计 ，第-项优化措施已经实施 ，不仅减少了停车次数 。回收了甲醇，保护了环境。更重要的是将会产生可观的经济和社会效益。

(收稿日期：2012-12-22)化装置濮阳、临泉两个示范项目提供了4种规格高温氧阀共计 23台，实现产值约 1000万元.替代了昂贵的进口产品。氧阀运行状况良好，性能优越，受到业主的好评。目前我公司生产的高温氧气硬密封球阀已有 DN25-200 mm共 6种规格 。年产高温氧阀数量达 250台。能满足每年配套约 1O套航天粉煤加压气化装置所需的氧阀.取得了良好的经济效益和社会效益。