大口径超高温蝶阀的研制

大口径阀门厂家北方阀门集团技术部整理，蝶阀是用圆盘式启闭件往复回转90度左右的流体开关，通常在液体，气体，等流体管路系统中作为阻断开启，流量调节阀和阻尼阀功能。大口径蝶阀是指口径大于100cm以上的阀门。

  1　大口径超高温蝶阀概述

  大口径超高温蝶阀用于催化裂化装置能量烟气回收系统，装置的正常操作温度680℃，允许最高连续使用温度720℃，最高超温800℃，输送含有催化剂颗粒的再生烟气介质。由于介质对阀门冲刷强烈，为防止阀体壁厚因冲刷减薄而失效，阀体内大面积堆焊硬质合金，阀体极易产生变形和开裂，堆焊难度较大。因为系统温度较高，金属材料在高温中机械性能急剧下降，阀门应选用耐高温材料。为防止阀门泄漏超标，引起系统烟机不能正常停车，从而造成重大事故，对阀门密封结构及其零件的加工精度要求较高。

  2　大口径超高温蝶阀结构特点

  大口径超高温蝶阀阀体由钢板和锻件法兰焊接而成。阀杆为整体锻件结构，由外部轴承座支撑，并通过二端销连接带动阀瓣转动。  2个半圆阀座前后错开，与阀瓣呈对称式分布，结合对称式流线形结构的阀瓣，使阀门具有良好的流通性能。3组填料密封，外加密封剂和吹扫二道辅助密封组成了高可靠性阀杆填料密封系统（图1）。

  3　大口径超高温蝶阀设计依据

  3.1　使用工况

  工作压力　0.199MPa

  操作温度　680℃

  使用温度　720℃（连续工作最高温度）

  最高超温　800℃（<15min，每年少于6次）

  输送介质　含有催化剂颗粒的再生烟气（最大颗粒直径为9.6μm，烟气中催化剂密度<200g/m3

  烟气流量　67kg/s（最大）

  介质流向　水平

  烟气分子量　29.1

  3.2　设计参数

  烟气流量　63kg/s（标准）

  设计压力　0.259MPa

  设计温度　704℃

  设计压差　0.152MPa

  腐蚀裕度　3.2mm

  阀体直径　1219mm（48in.内径）

  流通面积　7503cm2（全开启）

  全开Cv值　42800

  泄漏率　最大流量的0.67%（Cvmax值的0.16%）

  4 大口径超高温蝶阀研制　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

  根据使用工况和设计参数要求，阀门研制的关键技术为正确选用主体材料、计算阀体最小壁厚、设计密封副结构和阀杆填料密封系统。

  4.1　主体材料选用

  1）阀体材料　阀门设计执行标准为ASMEB16134。按该标准中的压力-温度表计算得到的阀门常温下的压力等级数，就是设计基准，并以此来计算最小壁厚。在设计过程中，阀体材料也选ASMEB16.34标准规定的材料，并且材料的适用温度高于阀门工况最高温度。经过查阅了大量国内外类似工况的阀门设备材料使用情况，结合对高温材料的使用经验，选择了性价比较高的304H作为阀体材料。此材料可减小蠕变对材料的影响。

  2）阀杆材料　根据高温强度估算，奥氏体钢在704℃的高温工况下，强度降低64.5%以上，如果采用加大阀杆直径提高其强度的方法，则超出阀门结构要求，因此奥氏体钢不适宜做阀杆材料。lnconelX-750在704℃的高温工况时，强度降低41.3%，但强度值还很大（表1）。根据屈服强度，并考虑持久强度计算得到的阀杆直径，符合阀门结构要求，因此阀杆材料选用lnconelX-750。

  4.2　结构设计

  1）阀体最小壁厚

  阀体最小壁厚计算是为了保证阀门的压力边界完整。最小壁厚采用规则法计算，计算标准按ASMEB16.34，在选择压力-温度额定值时，有2种磅级选择法。一种是选择标准磅级，计算得到的最小壁厚比较大，比较安全。另一种是选择特殊磅级，计算得到的最小壁厚比标准磅级小，但无损检测要求较严。根据高温工况的设计经验，选择了这二种磅级的组合形式，即在计算最小壁厚的压力-温度额定值时，选用标准磅级，而阀体的无损检测要求按特殊磅级。

首先按标准磅级计算压力等级额定指数Pc。

  ①已知设计温度704℃，设计压力0.259MPa，主体材料304H，按照ASMEB16.34采用插入法计算得到Pc=178lb。

  ②已知阀体进口流道内径dm=1219mm，Pc=178lb，按照ASMEB16.34，采用插入法计算，最小壁厚为28.42mm。

  ③48in1大口径阀门应考虑结构应力，需要增加壁厚附加值，其数值取6.35mm。

  ④考虑腐蚀裕度需增加壁厚附加值3.2mm。

  ⑤考虑结构应力和腐蚀裕度后的最小壁厚为28.42+6.35+3.2=37.97mm。阀体最小壁厚取值为38mm。

  2）密封副结构

  阀门泄漏率要求为最大流量的0.67%，当泄漏超标就会引起系统烟机不能正常停车，从而造成重大事故。普通烟气蝶阀阀体通道内没有阀座，阀瓣仅起调节烟气介质流量的作用，不起密封作用。根据性能要求，大口径高温蝶阀设有阀瓣和阀座密封副，对阀门的流通性能、密封可靠性和启闭力矩3个方面进行了设计研究。

  首先按常规蝶阀设计了密封副，此形式密封可靠，虽然阀瓣旋转中心与密封面存在偏心力矩，使启闭力矩增大，但经过计算，力矩也在可以接受的范围之内。

  此结构的缺点是流通性能差，不能满足全开截面积的设计要求。经过反复设计、修改和计算，完成了对开式阀座密封副设计，该阀座是2个半圆阀座，它们前后错开与阀瓣呈对称式分布，使得阀瓣能够设计成对称式流线形结构，使阀门具有良好的流通性能，从而满足了全开截面积要求和全开Cv值要求。由于阀瓣结构对称，所以启闭力矩较小。虽然其密封面某一处可能有泄漏现象，但只要合理控制阀瓣和阀座的尺寸精度、形位公差和二者之间的装配误差，就能有效控制泄漏率在合格范围之内。

  3）阀杆密封结构

  蝶阀用于催化裂化装置能量回收系统，装置上最高连续使用温度720℃，最高超温达800℃，不但工况恶劣，而且检修周期长（最短为一年），要求在检修周期内阀杆密封可靠。阀杆的密封是通过填料组件实现。该填料组件由装在填料函内的内侧、中间和外侧3组填料、4个隔环、2个止动螺栓、压套、压板和一组碟簧及螺柱螺母组成，外加吹扫系统和密封剂注入口来辅助密封（图5）。

  隔环1设计长度尽可能长，使内侧填料离高温区远些，可延长填料及阀杆的使用寿命。隔环2的作用是让内侧和中间二组填料压缩均匀。隔环3的主要作用是容纳密封剂。隔环4为开槽式，它与止动螺栓配合使用，当外侧填料紧固时，也就紧固了其他填料。止动螺栓的作用是限制填料系统的相对位置。碟簧的作用是即使填料发生松弛，碟簧的预紧力也能保证填料处于相对压紧状态，防止因填料松弛而泄漏。

当发生泄漏时，吹扫系统中的流量指示器将显示出流量。如果是漏向外侧，可通过紧固填料螺栓来紧固外侧的填料。当内侧泄漏时，可从密封剂注入口注入密封剂来加强中间填料。当隔环4接触到底仍有泄漏时，必须更换外侧填料。更换外侧填料时，必须加强中间填料并且在获得中间密封后，将吹扫装置关断。这时可在运行时卸除并更换外侧填料。吹扫系统仅作为备用装置。当内侧填料磨损不能形成密封情况下，使用吹扫装置，从而使阀杆或隔环不出现损坏。吹扫装置连接到高于阀门工作压力0.04～0.07MPa的一个氮气或仪表空气的连续供气源上。即使出现泄漏，泄漏的将是吹扫介质，无任何危险，确保阀门使用安全。

  4）大口径超高温蝶阀超高温填料

  填料选用柔性石墨。其在空气中氧化温度为450℃，并在此温度下每24h后质量减轻1%。温度越高，质量减轻得越多，氧化现象越严重。柔性石墨填料最高使用温度为650℃，且仅用于非氧化介质。考虑到填料在填料函内处于压紧密封状态，只有一部分与空气接触，有资料介绍处于这种状态的填料使用温度可达816℃。为了验证填料的可靠性，做了多次试验。

  首次试验是将填料压紧在模拟的填料函内，放入热处理炉中加热到816℃后保温48h取出，原来灰黑色的填料变得灰黄，轻碰即碎，显然填料已经失效，但又不象氧化失效。经分析确认，常规填料因为要防止Cr13材料的阀杆产生点腐蚀需填加缓蚀剂，是缓蚀剂导致了填料在高温下失效。

  考虑到lnconelX-750阀杆材料不存在点腐蚀倾向，所以填料内可以不加缓蚀剂。将不含缓蚀剂的填料压紧在模拟的填料函内，经加热至816℃并保温48h后，灰黑色填料没有变色，填料的弹性也没变化，只是跟空气接触部分有明显的氧化现象。为了改进柔性石墨的高温性能，将不含缓蚀剂的柔性石墨与高温抗氧化板制成的填料压紧在模拟的填料函内，经加热至816℃并保温48h后，灰黑色的填料没有变色，填料的弹性也没变化，跟空气接触部分有少许氧化现象。由此初步证实了处于压紧密封状态的填料使用温度可达816℃的可靠性。经过多次试验改进制成了超高温柔性石墨填料。

  大口径超高温蝶阀的研制成功，主要解决了阀体主体材料的选用、蝶阀密封副结构及阀杆密封结构的设计等问题，并通过试验选取了超高温填料，为石化行业催化裂化装置系统用阀门的设计和制造取得了经验。

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