石油炼制用阀门使用特性的分析

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Analysis on Application Characteristics ofthe Valves Used for Petroleum RefiningYANG Xiao-li ，W ANG Shu-hong ，YUE Jing-hua ，ZHANG Lin ，W ANG Rui-ke(1.Lanzhou High Pressure Valve Co.，Ltd Lanzhou 730060；2.China Beijing Peochemical Engineering Co.，Ltd Beijing 100107，China)Abstract：The paper introduces types of valves used for different devices in the process of petroleum re-fining and elaborates the high requirements for manufacturing high pressure，sulphur-resistance，hydro-gen-resistance valves in their producing technology，and the development tendency of the valves usedfor petroleum refining，with the update of petroleum refining devices and higher purity requirements forpetroleum refining。

Key words：valve；petroleum refining；high pressure；sulphur-resistance，hydrogen-resistance；mated-a11 概述为了提高燃油的质量，减少环境污染，石油炼制行业加强了渣油、柴油、汽油和润滑油等加氢裂化及加氢精制和连续重整等装置的改进工作。高硫、高酸值原油加工中的高压加氢裂化和高压加氢精制装置用高压抗硫抗氢阀门的国产化势在必行。

2 工况分析高压加氢工艺是石油炼制深加工的-个重要工艺措施，不仅能提高原油的轻油回收率，而且能够使油品脱硫和提高燃料油的质量，减轻燃油对环境的污染。随着国内炼高硫油量的增加，高压加氢装置的建设将是我国石油炼制行业的重点和热点。高压加氢装置的工况有临氢、高压 (Class600～2 500)、高温及伴随硫化氢操作。

(i)临氢--氢对金属的腐蚀氢进入金属中能使金属产生脆性并丧失强度，出现金属氢损伤(或称为氢脆)的现象○属中的氢有 3种来源，-是氢在金属熔炼、热处理等加工过程中进入了金属中(称为内部氢脆)。二是金属在酸洗、电镀和电化学腐蚀过程中，氢以离子形式进入了金属中(称为电化学氢脆)。三是金属在氢气或含氢气体中使用时，氢原子进入了金属中(称为环境氢脆)。

氢气处于分子状态时，由于分子状态 H：体积大，因此，氢通常不能进入金属的内部。气体氢只有从分子状态离解成原子态后，才可能进入金属中。

H2 2H - 435kj分子氢离解为原子氢的离解度受温度的影响很大。在氢压力较低时，在 200oC以下氢分子离解为氢原子的量可以忽略不计。但当氢气压力很高时，作者简介：杨效礼(1980-)，男，甘肃定西人，工程师，从事阀门产品研发和设计工作。

2013年第2期 阀 门 - 25-常温下氢的离解 是不 能忽视 的，因为 曾出现过200MPa的常温氢气使钢产生了氢脆的事故。氢在钢中溶解度对钢的氢脆会产生影响，如氢在奥氏体钢中的溶解度要比在铁素体钢中大得多，因此，奥氏体钢的抗氢性能优于铁素体钢。钢的这种氢脆仅在- 120～560oC的温度范围内，进行慢速变形时才会产生，在 -30-40℃时脆性最明显。在温度较高时，氢在钢中的溶解度较大，如果温度降低的速度较快(如超过 40℃/h)，因溶解度下降而从钢中析出来的氢来不及扩散逸出，以分子状态存在于钢的缺陷中，形成高压气泡。高压氢气泡使缺陷扩展，形成微裂纹，致使金属脆化。

氢进入钢中后，原子氢和分子氢能部分地与钢中微裂纹或气泡壁上的碳或碳化物反应生成甲烷。

2H2Fe3C 3FeCH42H2C CH44H C-CH生成甲烷的反应过程是不可逆的。甲烷的分子体积较大，不能溶入钢中或向钢中扩散，而是被封闭在微隙中。微隙中的氢反应生成甲烷后，降低了微隙中的氢分压，致使固溶在钢中氢原子不断地向微隙中扩散，使生成甲烷的反应继续进行，直到钢中可能参加反应的碳和碳化物消耗后才会中止。聚集于微隙中的甲烷以及分子氢，会产生局部高压，使微隙壁的金属承受巨大的应力，这就形成 了甲烷空穴--裂纹源。从而严重地降低钢的力学性能，氢对钢的这种损伤，称为氢腐蚀。氢腐蚀是-种不可逆的化学过程，其危害性比钢的其他形式的氢脆严重得多。通常，钢的抗氢性能主要是指钢的抗氢腐蚀性能，抗氢钢也主要是指抗氢腐蚀钢。

高硫原油在加工时，其中的硫等对设备会造成严重的腐蚀，在温度≤120oC且有水存在时，形成 HC1-H S-H O型腐蚀性介质，它能引起钢产生应力腐蚀开裂。但无水时，在温度<240℃的情况下对设备无腐蚀。而当温度 ≥240oC时硫化物开始分解，生成H s后加快钢的腐蚀速度。高压加氢不仅其工作压力高(Class600-2 500)，而且其工作介质是易泄漏(氢气分子体积小，质量小)、易燃、易爆的高压危险气体(氢气或油气氢气)，H 爆炸下限低，爆炸范围宽(4.1%～74.2%)，与空气混合遇明火就会发生爆炸，并且对设备(包括阀门)具有腐蚀性。

(2)常用抗氢钢提高钢的抗氢腐蚀性能的主要途径是尽量降低钢中的碳含量或在钢中加入形成稳定的碳化物的合金元素 Cr、Mo、Ti及 Nb等，将 C固定于稳定的碳化物中，如 Cr23C6、(CrMo)23C6、TiC及Nb4C3等。

常用的抗氢钢为Mo钢和Cr-Mo及奥氏体不锈钢。18-8型奥氏体不锈钢本身含 C量很低，又因为钢中的Cr C 对氢很稳定，因而 18-8型奥氏体不锈钢的抗氢腐蚀性能比低合金 Mo钢和 cr-Mo钢更优，使用温度可更高。

为了获得更加优异的抗氢腐蚀性能，高压临氢阀门用的奥氏体不锈钢通常是采用加稳定化合金元素Ti或 Nb的稳定型不锈钢 CF8C、F321、F347或ZGOCrlSNil0Ti。因为加入稳定化合金元素 Ti或Nb后，稳定化合金元素会与 C生成更加稳定的碳化物(TiC或Nb C )，从而进-步地降低了C对钢抗氢腐蚀的不利影响。因此它的抗氢腐蚀性能比不含稳定化合金元素的奥氏体不锈钢更优异，其使用温度更高。

ZGCr5Mo阀门含碳量低，焊接性能好，市场占有率高。加工高硫原油所需抗硫阀门，大部分要选用 ZGCr5Mo或 ZGCr9Mo材质的阀门 J。

3 产品改进为求得炼油的深度加工得到快速的发展，炼油装置必须向大型化发展，阀门也必然向高压、大口径的方向发展，同时要求智能传动操作。由于炼油厂、石化厂长周期安全生产的要求，已使所用阀门材质更加严格，关键设备的阀门已趋向高档化。现在灰铸铁阀门及球铁阀门在石化行业使用量已明显减少，阀门材料采用美国 ASTM 标准或美国 UNS系列标准，材料 zG1Crl8Ni9Ti、ZG1Cr18Ni12Mo2Ti已被淘汰，而采用美国 ASTM标准低碳级或超低碳级的(C≤0.08%或 C≤0.03%)优质不锈钢 CF8、CF3、CF8M、CF3M、CF8C、CG8M 和 CG3M 等。在石化装置关键设备上的阀门已采用 CN-7M(s合金或称 20号合金)、Monel(蒙乃尔合金)、Inconel(英康乃尔合金)、Incoloy(英康洛依合金)、Hastel-loyB(哈氏合金 B)、HasteloyC-276(哈氏合金 C-276)、CZ-100(铸镍合金)等材料，Ti阀和双相不锈钢阀门已有明显增加，而且成逐年增长趋势。以早期使用的K”字头抗硫阀为例，即阀门壳体用碳钢，内件用抗硫不锈钢，现在其壳体或用ZGCr5Mo(C5)，或用 CF8M(316)及 CF3M(316L)，抗环烷酸的阀门主体材料选用 CN-7M(S合金)或 CG8M(317)、CG3M(317L)等，以保证系统设备长周期的下转 35页)2013年第2期 阀 门半球阀开度为 10%时，前部的介质流速最大值主要集中在阀瓣中间部分，在阀瓣偏侧产生的冲击力明显减小，使半球阀的启闭力矩较小且振动也减小 。

半球阀开度为 45%时，由于两侧的过流流体的速度梯度较小，阀瓣背后的涡流几乎消失，阀瓣下部的涡流区域也明显变小，整个流场的状况明显得到改善。

半球阀开度为 100%时，介质过流比较顺畅，流速分布较均匀，流态较平稳，上下两侧几乎成对称态势，整个流道内流速无明显增加，压力局部损失明显减校流场的最高流速比改进前在数值上有所减校如果结合压力分布图分析，局部压力梯度明显减少。

3.3 流阻系数流体通过阀门时，其流体阻力损失以阀门前后的流体压力降△p表示。

卸 ： (5)得 出 式中 △p--被测阀门的压力损失，MPa- - 阀门的流阻系数--流体在管道内的平均流速(表 1)，m/s表 1 半球阀改进前后出口平均流速对比 m/s4 结语从流场模拟结果分析可知，半球阀在开度45%- 100%之间时，过流状态良好。在开度小于 45%时，由于两侧过流速度梯度较大，阀瓣背后产生涡流。在阀瓣前部由圆弧改为平面后，45%开度时，由于两侧过流速度梯度变小，阀瓣背后的涡流明显减校过流冲击带来的振动也有所降低。阀瓣改进后，阀门流阻系数明显减小，更有利于流体在流道内通过，在 100%开度时，流阻系数减少约 18%，效果明显。因此在不影响阀瓣强度的情况下，阀瓣前端面由圆弧改为平面，可以提高半球阀的工作效率。