金屬硬密封防結焦三通球閥Q44M

                     金屬硬密封防結焦三通球閥Q44M

                      上海申弘閥門有限公司

之前介紹組合式減壓閥產品檢驗報告，現(xiàn)在介紹金屬硬密封防結焦三通球閥Q44M介紹了在延遲焦化裝置中使用高溫防結焦耐磨球閥的必要性，高溫防結焦耐磨球閥的典型應用、技術難點和結構特點，以及防結焦耐磨球閥的高溫性能試驗。
關鍵字：延遲焦化 高溫防結焦耐磨球閥 結構特點焦化爐三通球閥應用于焦化廠的焦爐高壓氨水噴射循環(huán)系統(tǒng)高低壓轉換系統(tǒng)。傳統(tǒng)結構的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行兒個月甚至兒天就產生泄漏，使系統(tǒng)壓力降低，泄漏的高壓氨水將焦爐內煤粉吸帶至集氣管，嚴重的造成炭化室負壓，既影響焦炭質量，又影響爐體的嚴密性。由于該閥門安裝在焦爐頂部，該部位溫度高、勞動條件差，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)濟損失，并且也嚴重的污染了環(huán)境。

金屬硬密封防結焦三通球閥Q44M標準技術參數(shù)
閥  體
公稱通徑：DN15-DN200
閥體材質：WCB、304、316、316L
連接方式：法蘭
壓力等級：PN1.6－4.0MPa
結構形式：浮動球芯

閥內組件
閥座密封：PTFE：-20°～180°
PPL：-20°～250°
閥芯材質：304、316、316L
閥桿材質：304
結構方式：分流、換向
適用介質: 氨水



為了追求更好的經(jīng)濟效益，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、介質含有大量硬固體顆粒等復雜工況條件，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。我國大型煉油項目延遲焦化裝置中使用的高溫防結焦金屬硬密封耐磨球閥，主要采用進口的VELAN球閥。近年來部分進口金屬硬密封耐磨球閥已被國產閥門所取代。目前我國生產制造的金屬硬密封耐磨球閥的大公稱尺寸已達到DN800（NPS32），高公稱壓力已達到PN420（Class2500），高設計溫度達到600℃。
1 高溫防結焦耐磨球閥
焦化是使重質油品加熱裂解，聚合變成輕質油、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，是以渣油（一般為減壓渣油）為原料、在高溫（500~550℃）下進行深度熱裂反應的一種加熱過程。減壓渣油在管式爐中加熱，采用高流速及高熱強度，使其在加熱爐中短時間內達到焦化反應所需的溫度，然后迅速進入焦炭塔，使焦化反應不在加熱爐而是延遲到焦炭塔中進行，故稱之為延遲焦化。延遲焦化裝置運行的主要矛盾為：使用的原料為重質油，重質油在高溫下容易結焦，但希望它在焦炭塔中結焦，而不希望它在加熱爐、焦炭塔餾出線和分餾塔底等處結焦。所以除了工藝采取諸如：在焦炭塔出口管線上打急冷油，在原料油進加熱爐輻射管之前注入蒸汽或軟化水等措施外，還應該防止管線上閥門的結焦。高溫防結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突出問題：耐受500℃的高溫；防止高溫下的油氣結焦；消除焦粉對密封面的沖刷。
Q44F焦化球閥說明：
主要用于截斷或接通介質，也可用于流體的調節(jié)與控制，V型球閥能夠進行比較的流量調節(jié)與控制，而三通球閥則用于分配介質和改變介質的流向。與其它閥類相比，球閥具有如下的一些優(yōu)點：
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，其流體阻力也相當小。
2、開關迅速、方便，只要閥桿轉動90°，球閥就完成了全開或全關動作，很容易實現(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壓力的增加而增大。
4、閥桿密封可靠。球閥啟閉時閥桿只作旋轉運動，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壓力的增加而增大。
5、球閥的啟閉只做90°轉動，故容易實現(xiàn)自動化控制和遠距離控制，球閥可配置氣動裝置、電動裝置、液動裝置、氣液聯(lián)動裝置或電液聯(lián)動裝置。
6、球閥通道平整光滑，不易沉積介質，可以進行管線通球。1.1 高溫防結焦耐磨球閥在延遲焦化裝置中的典型應用
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，即當一個塔內焦炭聚結到一定高度時，即進行切換，通過四通閥將進料切換進另一個塔。下面以一爐兩塔流程為例，介紹焦化高溫防結焦耐磨球閥在焦化裝置中的典型應用。圖1中加熱爐出口閥和一道甩油閥通常采用高溫防結焦耐磨球閥。圖2為已運至現(xiàn)場的高溫防結焦球閥的實物圖。圖3為高溫防結焦耐磨球閥在現(xiàn)場的應用。
（1）延遲焦化裝置中高溫防結焦耐磨球閥的工況條件
焦化裝置中高溫防結焦耐磨球閥的使用介質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、防結焦及快速切斷等功能。
（2）延遲焦化裝置中高溫防結焦耐磨球閥所用的閥門材料
經(jīng)過焦化加熱爐后，介質中的環(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理主要為高溫硫腐蝕。所以在此高溫重油部位的管道材質選用12Cr5Mo。閥體的材質不應低于球閥所在系統(tǒng)管道的材質，這就使得高溫防結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。

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，若一個生產周期24h的話，一道甩油閥工作18h。


圖1 高溫防結焦耐磨球閥在延遲焦化中的典型應用
已運至現(xiàn)場的高溫防結焦球閥的實物圖
防結焦球閥在現(xiàn)場的安裝圖
1.2 延遲焦化裝置高溫防結焦耐磨球閥的介質工況特性及對閥門的要求
（1）介質中含有焦粉，容易在閥座、球體、閥軸等部位結焦、沾結，容易導致閥門卡死或密封失效。因此要求閥門對閥座、閥門中腔、閥門填料等部位進行有效防護，阻止結焦介質在閥門工作過程中進入閥內。
（2）閥座采用刮刀結構設計。刮刀式閥座具有自清潔功能，在閥門開關過程中，閥座對球面有刮刷動作，能有效減少球面污物進入密封副，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，容易導致閥門在高溫下的卡死而無法實現(xiàn)啟閉動作。閥門結構、尺寸設計和選材時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，閥門的動作失效將導致整個系統(tǒng)的停車。
（5）閥座的密封等級要求為ANSIFCI70-2VI級。
1.3 高溫防結焦耐磨球閥的設計結構和制造特點
高溫防結焦耐磨球閥是在浮動球閥的基礎上予以結構設計的改進，以適應高溫、耐腐蝕、耐沖刷和易結焦的工況要求，提高閥門使用壽命。
高溫防結焦耐磨球閥在設計階段應采用計算機仿真技術，進行有限元分析和閥門在500℃時的溫度場分析，參照分析結果和實際經(jīng)驗調整閥門結構和內件設計尺寸。
高溫防結焦球閥的結構示意圖和三維剖面圖如圖2和圖3所示，其結構特點歸納如下：

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 高溫防結焦耐磨球閥



圖3 高溫防結焦耐磨球閥的三維剖面圖
（1）全通徑結構。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）浮動球閥，閥后單向密封結構。進口端為高壓端，閥門在關閉狀態(tài)時，在介質壓力的作用下，球體產生一定的位移，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構，在現(xiàn)場安裝時，必須注意安裝方向正確。
（3）分體式球閥。防結焦球閥進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的金屬閥座，閥體和閥座之間設置密封墊。
（4）波紋管的設置。因高溫防結焦耐磨球閥在高溫工況下運行時，球體、閥座等內件都會因熱膨而使尺寸增大，內件沿閥門通道軸向方向上的尺寸膨脹，是導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件受熱膨脹而卡死，因此在閥前閥座背后設置波紋管，其波紋管詳圖如圖4所示。
焦化球閥詳細說明
該系列球閥特別適用于各焦化廠焦爐氨水、噴射循環(huán)系統(tǒng)高低壓轉換時使用。
一、閥門的連接尺寸與原三通球閥相同，更換方便。
二、特制的增強聚四氟乙烯封圈，其耐磨強度大大提高，顯著提高密封圈的使用壽命。
三、*的內部結構，不僅大大降低了生產成本，而且使加工與維修更加簡單化。
四、帶倒密封結構的下裝式閥桿，不僅防止了閥桿脫出，而且閥桿部位的密封更加可靠。
五、外型結構緊湊，*三塊式設計使閥門外觀更。



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。設計時應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構，能在正常關閉情況下確保球體密封面和閥座密封面間的緊密接觸，在高溫下能有效補償內件受熱膨脹，避免因高溫而導致的卡阻。



圖5 刮刀結構設計
（5）應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，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。
超音速噴涂技術提供了的噴涂工藝，而決定涂層硬度的關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焦球閥應用成功的關鍵。采用球面磨床磨削以及研磨機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到設計要求，實現(xiàn)高吻合度及可靠密封。
（7）球桿一體化結構。閥門采用球桿一體化結構，保證了球體與閥桿的同心度，球、桿整體剛度、強度大，工作可靠。
（8）閥座刮刀結構設計。刮刀式閥座具有自清潔功能，在閥門開關過程中，閥座對球面有刮刷動作，能有效減少球面污物進入密封副，保證密封可靠。刮刀結構詳圖如圖5所示。
閥座刮刀硬度比球面硬度稍低，當閥座刮刀的刃口刮削球體表面的結焦物時不會損壞球體密封面，閥門每次開啟或者關閉過程中能對球體密封面進行刮擦作用，防止固體顆粒進入閥座密封區(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）蒸汽吹掃結構。由于焦化介質中含有極細的焦粉，容易在閥座、球體、閥軸等部位結焦、沾結，導致閥門卡死或密封失效。采用蒸汽吹掃對閥門的波紋管內外、閥門中腔、填料箱等部位進行吹掃保護，能有效地防止殘渣以及汽相焦粉等物料進入閥體空腔中，避免因焦粉累積而產生問題。在閥門處于工作狀態(tài)下，吹掃蒸汽壓力高于管道介質壓力，就可以起到保護和屏障作用。


2 高溫模擬實驗
由于焦化防結焦球閥是處于高溫且介質硬度較高、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，或密封面關不嚴不耐沖刷等問題。為確保閥門在實際工況條件下滿足使用要求，確保產品質量，所以要求對高溫防結焦耐磨球閥除了進行常規(guī)的殼體實驗，閥座密封試驗、開關扭矩試驗外還應進行高溫啟閉和高溫密封試驗。
值得注意的是，對閥門進行室溫下的閥座密封試驗合格，不能表示閥門處于高溫（或低溫）工況下使用時仍能達到閥座密封要求。對于防結焦球閥，其在高溫下發(fā)生密封泄漏時，夾雜焦粉等固體顆粒的氣象或液相介質會對閥座、球體表面產生十分劇烈的沖蝕，導致閥門密封失效。
（1）高溫啟閉動作和高溫閥座密封試驗
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焦球閥進行加熱。熱電偶檢測通道內閥座和球體表面溫度，當達到500℃時，進行閥門高溫啟閉試驗，同時進行閥座氣密封試驗。
（2）高溫吹掃試驗
依次檢測波紋管內側、波紋管外側、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，然后進行閥門的開啟動作，觀察閥體中腔吹掃系統(tǒng)是否順暢。


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