高压硬密封调节蝶阀在600kt/a合成氨装置合成气循环回路及合成塔温度控制环节的应用情况，着重阐述高压蝶阀的结构设计、材料选用、加工流程、执行器配置、耐压试验及其性能特点。
1 概述
2014年10月瑞星集团股份有限公司600kt/a低压合成氨装置成功投运。该装置已经连续4个多月满负荷运行，表明国产化大型低压合成氨工艺技术已达到国际领先水平，创相同气体条件下单套装置合成氨日产量的世界之最，为我国合成氨工艺技术的大型化、国产化开辟了一条新路。目前，氨合成系统循环气中甲烷含量为15.1%，合成压力为13.65MPa，系统阻力为0.86MPa，平均日产合成氨2112t。
装置控制阀部分采用了由成都斯杰化工机械有限公司自主研制的高压硬密封调节蝶阀，应用在合成气循环回路以及合成塔温度控制环节，保障了装置的成功运行。
合成塔温度的控制是合成氨装置中一个重要环节，从热交换器来的合成气送入合成塔，对合成塔进行温度控制，这个工段需要调节阀进行自动控制，因为要保证管线的升温，对阀门的泄漏具有一定要求，且该管线并无副线，故设计院选用了高压硬密封蝶阀。我国高压硬密封蝶阀的生产在很长一段时间内为空白，类似工况所用的高压硬密封蝶阀一直都从国外进口。
高压硬密封蝶阀不同于普通阀门，既要满足高压的工况又要具备蝶阀的工作性能。成都斯杰化工机械有限公司在承接了瑞星集团股份有限公司600kt/a低压氨合成系统高压硬密封蝶阀加工委托后，通过对国外高压硬密封蝶阀技术的消化吸收，结合多年的技术沉淀，从产品结构设计、材料选用、加工流程等方面进行了突破性的改进，现简介如下。
2 结构设计
600kt/a氨合成系统高压硬密封蝶阀工艺参数：
介质 合成气
温度 39.66～249.44℃
阀前压力 15.15/15.90MPa
阀后压力 15.10/15.87MPa
公称压力 PN250
公称通径 DN150/DN400
流量系数 KV580/4350
如果在中压蝶阀结构基础上加粗、加厚相关零部件，增大配置来满足压力等级需要，那么阀门在使用之初也能满足工艺要求，但随着使用时间加长，关键部件在高压介质作用下容易受损，由此产生的强大作用力会对阀门产生破坏性损伤，故采用普通蝶阀结构存在很大风险，其改进必须消除一些潜在的危险，具体列举如下。
2.1 阀杆
传统的中、低压调节蝶阀阀杆一端伸出填料函与执行器连接，阀杆的另一端通过端盖封闭在阀体内，阀杆直接连接到填料函，这时阀杆的密封通常采用一个橡胶O形圈或一层石墨环密封［见图1（a）］，在高压环境中使用一段时间后，由于O形圈、石墨环寿命方面的原因，会导致密封失效，管线内的高压介质会窜至阀杆端面，阀杆端面将承受极高的作用力。如：工作压力为15.83MPa，阀杆直径为35mm，则阀杆端面受到的作用力为152.23MPa。如此大的作用力直接作用在阀杆端面，轻则导致阀杆弯曲，顶开执行机构，如果瞬间爆发，阀杆会像子弹一般冲出阀体，阀门遭受毁灭性破坏。
图1 阀杆密封示意图
考虑到高压环境的特殊情况，高压硬密封蝶阀的阀杆采用单根上下直通整体结构，不采用上下双阀杆结构；将阀杆两端均伸出填料函［见图1（b）］，一旦由于填料寿命原因造成泄漏，阀杆端面也不会受到巨大的作用力，从而消除上述端面作用力对蝶阀的破坏。
2.2 蝶板
普通金属密封蝶阀的蝶板设计，密封圈密封面极易失效，从而影响设备的安全运行。普通中、低压蝶阀的蝶板设计，主要考虑密封面的密封性能。蝶板的密封圈大部分采用金属片和橡胶石棉板等柔性材料组成的多层复合结构，通过压板将密封圈固定在蝶板上［见图2（a）］。这种结构的蝶板，在高压环境下，一方面压板连接螺钉在阀门流道内直接接触流体介质，受高压流体高速运动和管道振动的影响，使用一段时间后可能导致压板连接螺钉脱落；另一方面，片状的柔性密封材料在高压、高速流体介质的冲刷下极易被冲蚀，从而使密封失效，由于密封圈为悬臂梁结构，层片状的金属密封圈在蝶板启闭过程中受力最大，最容易发生弯曲变形而被破坏。
图2 蝶板设计示意图
由以上分析可知，传统多层复合结构的密封圈，强调其密封性能，而忽略了在高压环境中对密封圈强度和刚度的要求。在高压环境中，多层复合结构的密封圈密封面极易失效，从而影响设备的安全运行。故在高压蝶阀蝶板结构设计时，采用蝶板密封面的全金属整体设计加工［见图2（b）］，从而满足蝶板在高压工况中的强度和刚度要求；同时采用专用工装和特殊加工工艺，以保证密封副的密封性能。
3 材料选用
直通锻造式阀体结构可保证阀体有足够的强度。目前国内的低压蝶阀阀体和国外高、低压蝶阀阀体大部分采用铸造阀体。由于国内、国外铸造工艺水平存在差异的客观事实，高压蝶阀阀体我们采用锻造阀体，因为锻造体晶粒细小、组织致密均匀，综合机械性能优于铸造体。
4 加工流程
高压硬密封蝶阀的加工流程：锻件整体粗加工→固溶处理→阀体整体超声波探伤→精加工→整体着色检查→与其他零件组装。
5 正确配置执行器
高压条件下工作死区特别大，对执行器输出力的要求高。由于机加工存在误差，会造成同口径阀在不同的运行阶段对执行器输出力的要求都不一样，因而合理选择执行机构尤为重要。气缸力矩过大，阀杆会扭曲变形；气缸力矩过小，则无法克服工作压力，使得调节阀不能正常工作。高压硬密封调节蝶阀气缸的选用，需根据每台阀阀杆直径、开启力矩、冲击力矩以及摩擦系数等相关数据计算而选择。阀杆力矩（MD）计算公式如下：
MD=Mm+Mc+MT+Mj+Md
式中 Mm———密封面间摩擦力矩，N·mm；
Mc———阀杆轴承的摩擦力矩，N·mm；
MT———填料的摩擦力矩，N·mm；
Mj———静水力矩，N·mm；
Md———动水力矩，N·mm。
6 耐压试验
高压硬密封蝶阀的耐压强度应符合GB/T4213—2008标准。①以1.5倍公称压力进行不少于3min的耐压强度试验（该高压硬密封三偏心蝶阀公称压力为25MPa，在37.5MPa压力下稳压3min，无泄漏）；②填料函在1.1倍公称压力即27.5MPa压力下稳压3min，无泄漏；③阀座泄漏量试验，相关计算公式如下：
Q=0.1Kv［△p/（ρ/ρ0）］0.5
式中 Q———液体流量，m3/h；
Kv———额定流量系数；
△p———阀前后压差，kPa；
ρ/ρ0———相对密度。
7 高压硬密封蝶阀性能特点
（1）采用独特的斜锥面密封，利用蝶板摆动接触密封，启闭无摩擦，关闭时具有越关越紧的特性，密封性能可靠；开启时确保蝶板与密封面完全脱离接触，不损伤密封面。
（2）金属硬密封高压调节蝶阀密封面的接触角大于锁定锥度范围，从几何形状上排除了卡死的可能。
（3）具有双向密封功能，安装中不受介质流向的限制（但优先采用有利于密封的方向安装），也不受空间位置的影响，可在任何方向安装，泄漏等级优于GB/T4213—2008Ⅳ级。
（4）采用内夹不锈钢丝石墨盘根填料，具有较高的强度和耐高温性能，避免了普通石墨填料易冲蚀的缺陷。
8 结语
莱克设计制造的高压硬密封蝶阀，其设计理念先进、结构合理。瑞星集团股份有限公司600kt/a氨合成系统的应用实践表
明，该阀门运行稳定、各项指标均满足大型合成氨装置的工艺要求，打破了国内高压硬密封蝶阀长期靠进口的局面。
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