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  • 进口低温球阀在化工乙烯场合的应用分析
    发布日期:2016-11-29


    引言

    2014年,世界乙烯总产能已经达到1.53亿吨/年,预计2015年将达到1.58亿吨/年。乙烯主要是用于生产聚乙烯、乙丙橡胶、聚氯乙烯等石化相关产品,具有极高的经济价值,但是乙烯具有毒性,会对人体有一定的危害和造成环境污染,并且能与空气形成爆炸性混合物,因此这对用于乙烯生产、运输中所使用的低温阀门提出了更高的设计要求。

    1 工况及阀门参数介绍

    国内某化工厂现场乙烯球罐区由六条管线组成,其中不合格乙烯、乙烯自烯烃分离I、乙烯自烯烃分离II压力为1.65Mpa(由MTO反应塔介质自重产生),合格乙烯出调I、合格乙烯出调II、倒罐线压力为3.2Mpa。正常生产时,现场需要两个罐同时工作才能满足要求,比如D罐进料,当液位达到规定值后F罐开始放料;但当阀门出现内漏时,由于管线设计原因,介质会出现窜罐或窜线的现象,导致倒罐的情况发生,比如D罐与F罐由于现场管线走向正好相反,在D罐未达到规定液位值时,液位下降,F罐液位反而上升,这就是由倒罐现象引起的。具体工艺流程与参数见图1和表1所示。

    1 现场工况参数

    1 现场工艺流程图

    2 阀门设计

    2.1 结构设计

    目前市场上的低温球阀普遍采用软密封结构,依靠阀座自身的塑性变形与球芯实现密封。但软阀座的密封性能在低于-100℃低温环境下会被削弱;并且软阀座在运动的过程中会聚集静电,容易产生火花点燃介质引发爆炸,造成不堪设想的后果,因此根据GB/T249252010BS6364标准的设计要求,软密封低温球阀需要在球芯和阀杆上设计泄压孔和导出静电装置,但由于采用球芯上打泄压孔的方式泄压,阀门只能选用单向密封结构,在实际安装和使用上都有一定的局限性;除此以外,在低温环境下,任何细小的颗粒硬度都会提升,当阀座和球芯硬度低于颗粒时,密封表面很容易被损伤、剥落,严重时还会造成阀门卡死的情况出现,因此软密封结构在-100℃以下的环境中工作并不是十分理想的选择。

    由于此处乙烯球罐区阀门存在介质倒罐的情况,传统的单向密封低温球阀并不能满足使用要求,结合之前介绍的参数及工况情况,可采用如下组合方式重新进行结构设计:金属阀座双向密封(DIBII结构,表面硬化处理)固定球结构,自泄压、弹簧补偿、加长颈盖。具体结构如图2所示。

    2 低温球阀整体结构

    2.2 材料选择

    在低温环境下,一些常见金属材料的强度和韧性都会发生改变,因此为低温阀门选择正确的材质十分重要。

    1)阀体、上阀盖:选用奥氏体不锈钢。奥氏体不锈钢是面心立方结构,在-196℃下并没有低温脆性,因此在低温环境下也具有很好的塑性;

    2)阀杆:选用S20910氮强化奥氏体不锈钢。常温下其屈服强度大约是普通奥氏体不锈钢的2倍,在高温和低温环境下也表现出良好的机械性能,同时在抗腐蚀和氧化方面也表现优异;

    3)球芯和阀座:镍基自熔性合金具有耐磨、耐腐蚀和焊接性良好等特点,因此可以将基材选用奥氏体不锈钢,然后在其表面喷焊镍基自熔性合金,如球芯表面喷焊Ni60A(硬度可达HRC5862),阀座密封面喷焊Ni55A(硬度可达HRC5357)。通过喷焊不同牌号的合金,球芯和阀座相互之间存在一个硬度差,这样可以很好的保证阀门动作流畅性,避免卡死。

    2.3 处理工艺

    1)深冷处理:低温环境下,由于分子振动幅度降低,间距变小,影响了材料表面的平整度,同时奥氏体会部分转变为马氏体,因为马氏体是体立心结构,晶格致密度也低于奥氏体,所以碳原子会占据体心立方点阵的位置,导致晶格沿C轴方向增长,从而体积发生变化引起内部应力的增加,产生密封面变形,因此在对零件进行精加工之前,需要进行2次深冷处理,这样可以确保奥氏体充分转变为马氏体,避免精加工之后的零件配合密封面在低温下发生翘曲变形。

    2)精加工表面处理:利用金属在常温状态下冷塑性的特点,通过对精加工密封表面进行超声波处理,在加工面上形成压应力,产生冷作硬化,可使零件表面的粗糙度(达到0.2um)显微硬度、耐磨性及耐腐蚀性得到提高,延长疲劳寿命。

    2.4 阀门主要零部件工作原理介绍

    1)图3中,填料采用了在低温下延展性很小的石墨填料,主要由石墨盘根,和特殊角度设计的上、中、下填料组合而成,能保证装配好后的填料压缩量达到30%左右。其中中填料采用低密度石墨材质,在保证压缩量和密封性能的同时,也能与阀杆保持较低的摩擦力,降低阀门扭矩。

    2)由于低温阀门中腔压力超过介质压力33%时,压力必须泄出,才能保证阀门的安全性,对于现场管道存在倒罐的情况,阀门必须按DIBII结构设计才能同时保证密封和自泄压功能。图4中,DIBII结构由单活塞和双活塞阀座部件构成。单活塞阀座在中腔压力过大后,会自行泄压,保证阀门安全性,而双活塞阀座则是可以保证阀前,阀后均能满足密封效果。采用金属阀座结构密封,可以很好的避免静电产生;石墨密封环的使用可以保证阀门的防火性能,也可以与弹簧蓄能密封圈形成双重密封,减少阀门内漏的情况出现;弹簧的设计,可以使阀座与球芯密封面形成动态密封与补偿,提高了阀门的密封性。

    3)采用长颈上阀盖的设计,让填料远离低温介质,保证填料工作温度始终保持在0℃以上,保证了填料的密封性与使用寿命。通过三维建模,ANSYS软件分析结果可以看出,DN200口径用上阀盖在高度350mm时,填料函下端温度达到了0.3℃,符合了SPE77/200标准中对上阀盖长度的要求。

    3 零件超声波表面处理

    4 上阀盖温度分析

    2 阀门设计参数

    2.5 计算校核

    1)阀座密封比压的校核

    ①钢与硬质合金的必须密封比压公式为:qMF=35+10P/

    代入数据,可得qMF=8.9Mpa

    ②由于采用固定球结构,阀座与球芯为阀前密封,因此其计算比压公式如下:

    代入数据,可得q=23.74Mpa

    ③查表可得,镍基合金滑动摩擦时的许用比压:[q=80Mpa

    为了满足密封要求,密封计算比压必须满足qMFq<[q],

    结合上述结果,可知计算比压满足设计要求。

    2)阀门摩擦力矩的计算

    固定球阀的摩擦力矩MF主要由以下四部分组成:

    ①阀座与球芯产生的摩擦力矩MQG1=πRqMfMD2MWD2MN)(1+cosφ/4

    代入数据,可得MQG1=179319.3N.mm=179.32Nm

    ②介质产生的摩擦力矩MQG2=πpfMRD2JH0.5D2MN0.5D2MW)(1+cosφ/8cosφ

    代入数据,可得MQG2=1991423.32N.mm=1991.43N.m

    ③填料与阀杆的摩擦力矩MFT=ψDF2bTp/2

    代入数据,可得MFT=135135N.mm=135.14N.m

    ④轴承与球芯轴颈之间的摩擦力矩

    代入数据,可得MZC=254716.8N.mm=254.72N.m阀门摩擦力矩MF=MQG1+MQG2+MFT+MZC=2560.61N.m

    3)弹簧力的计算

    阀座与球芯之间的弹簧预紧力计算公式为:QMY=D2MWD2MN·qM·π/4

    代入数据,计算结果:QMY=7838N                                               

    结语

    乙烯产量是衡量一个国家石化工业发展水平的标志,而乙烯的发展也与经济产业的发展息息相关,并起着积极的作用。在乙烯产业链中,低温球阀的使用必不可少,合理的结构设计,材料选择和加工处理工艺,都能减少阀门维修的几率,增加阀门稳定性,提高生产效率。

     

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