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展会结束

收录于话题

#科学 #技术 #工艺 #论文 #学术

出品 |《阀门》期刊

作者 | 中海油石化工程有限公司：马向荣

概述 ●

高压加氢装置中，既有中低压阀门的应用，又有高压阀门应用，一般≥CL900的阀门按照高压阀门设计，类型包括闸阀、截止阀、止回阀、球阀、轨道球阀、双阀联体的仪表根部阀等。目前，国内新建石油化工装置阀门的设计、选型与制造主要采用美标或其他国外标准，依据标准有ASME B16.34、API 600、API 602、API 623、API 6D、API 608、API 594、BS 1873、BS 1868等，阀门试验标准有API 598、ISO 15848、ISO 5208、API 6FA、API 607等。高压加氢装置的阀门技术规范有国内标准JB/T 11484-2013《高压加氢装置用阀门技术规范》可供工程技术人员参考使用。高压加氢装置中的主要设备和管道多在高温、高压条件下运行，且工艺物流中含有氢气、油品、油气等易燃易爆介质，反应产物中的硫化氢对人体有毒有害，需严格避免泄漏事故的发生。高压阀门处的法兰、焊缝、阀杆、密封面处是泄漏的风险点，为确保高压加氢装置安全平稳、长周期经济地运行，高压阀门需合理设计与选型。

高压阀门选型 ●2.1 锻件与铸件的选择锻件和铸件因生产工艺不同，各有优缺点。同一种厚度的相同材料，锻件的机械强度、微观晶相结构以及材料的致密程度均要比铸件更优，且不容易产生内部缺陷。但锻件不易加工出形状复杂的产品，且内部流道需要车削，成本高。铸件容易加工出形状复杂且表面光洁度高的产品，相对成本较低，但容易产生疏松、气孔、晶粒粗大等内部缺陷，机械性能相对较低。目前，加氢装置中的高压阀门，一般在≤DN100时，选择锻件；＞DN100时，选择铸件。2.2 阀体材料的选择高压阀门的阀体材料选材通常与管道材料一致，一般根据工艺介质在设计温度和设计压力下的腐蚀特性进行选材。高压加氢装置常见的腐蚀环境有高温H2腐蚀、高温H2+H2S腐蚀、高温油品+H2+H2S腐蚀、高温硫腐蚀、高温环烷酸腐蚀、湿H2S腐蚀、铵盐腐蚀、CL-腐蚀、连多硫酸腐蚀等[3]。这些腐蚀有时是单一腐蚀环境，有些是几种腐蚀环境的组合，工程技术人员应根据介质腐蚀机理、相关标准规范和工程经验经济合理的选材。加氢装置高压阀门常用的阀体材料见表1。查ASME B31.3可知，在400℃以下时，ASTM A216 WCC比WCB材料许用应力略高，≥400℃时两者许用应力相同。查ASME B16.34中的温压曲线表可知，WCB的材料分组为1.1，WCC的材料分组为1.2，在≤400℃时，同一温度下，1.2组材料比1.1组材料承受的压力略高，在更高温度时两者相当或1.1组材料承压能力略高。为避免在高于425℃下长期使用时碳钢材料的石墨化倾向，建议碳钢材质的阀门使用温度≤425℃。对于设计温度在400℃以下的轨道球阀，常选用ASTM A216 WCC。高压阀门连接端面通常采用焊接，在API 600中，要求碳钢阀体焊接端的碳含量不能超过0.23wt%, 碳当量CE≤0.43%。对于考虑湿硫化氢腐蚀的阀门，碳钢阀体应满足抗硫抗氢要求，表1中NACE表示材料应满足ANSI/NACE MR0103/ISO 17459和NACE MR0175/ISO 15156的要求。321材料在标准中只有锻件牌号，没有铸件牌号，因此铸件选择347牌号的铸件。高压除氧水用于可能产生铵盐腐蚀的管道的注水点处，由于API RP 932中对高压除氧水水质指标有严格的要求，为保持除氧水洁净，建议选择304不锈钢材料。在JB/T 11484-2013中，将205℃~500℃的高温腐蚀部分根据工作温度的高低细分为合金钢材料和奥氏体不锈钢材料，即205℃~280℃区间内，推荐阀体材料为ASTM A182 F11/ASTM A217 WC6；281~350℃区间内，推荐阀体材料为ASTM A182 F22/ASTM A217 WC9；281~350℃区间内，推荐阀体材料ASTM A182 F321或ASTM A182 F347/ASTM A351 CF8C。表1考虑到奥氏体不锈钢在比合金钢更耐高温腐蚀，且321或347材料为加氢装置中的常用材料，同时为减少材料种类，所以未列出合金钢材质，工程技术人员可综合考虑项目投资成本、项目规模、批量购买、材料更换周期等因素后考虑材料的选择。

表1 加氢装置高压阀门常用的阀体材料2.3 密封面与阀杆的选择高压加氢阀门的密封面材料通常采用司特立合金（Stellite，缩写为STL）。因为司特立合金具有硬度高、耐磨、耐腐蚀、耐流体冲刷等特性，在中低压阀门及高压阀门中为常用的密封面材料。对于阀杆材质的选择，当流体不具备腐蚀性，阀体为碳钢时，通常选择API600中的ASTM A276 410材质作为阀杆（相当于13Cr或ASTM A182 F6a CL2阀杆），属于马氏体不锈钢。碳钢阀体伴随振动工况时（如新氢压缩机、高压往复泵进出口管线），可选择阀杆材质S17400（即17-4 PH或ASTM A705 Type 630）。S17400是一种添加了铌的铬镍铜马氏体不锈钢，作为阀杆时在沉淀硬化状态下交货，强度高、硬度高、焊接性能较好、耐腐蚀。根据ASTM A564，S17400的使用温度在室温~315℃，也有资料显示，S17400不能用于300℃以上和冷冻环境下。当阀体材质为湿硫化氢环境下使用的碳钢时，考虑到马氏体不锈钢（410、S17400等）在酸性环境下的耐腐蚀能力不强，可选择316阀杆。JB/T 11484-2013 5.2.1条规定有抗氢和抗硫腐蚀要求的高压阀门壳体材料不宜使用马氏体不锈钢和沉淀硬化不锈钢。SY/T0599-2018 7.5.7条规定湿硫化氢腐蚀条件下承受拉应力的部件不应采用马氏体不锈钢、沉淀硬化不锈钢或双相不锈钢。当阀体材质为321或347时，阀杆材料可选择ASTM A182 F321、F347或ASTM A638 Gr660[4]（即S66286）。ASTM A638 Gr660是一种加入钼、钛、铝、钒及微量硼的铁基高温合金不锈钢，作为阀杆时在沉淀硬化状态下交货，在650℃以下具有较高的屈服强度，同时具有持久、蠕变强度。2.4 高压截止阀的设计与选型高压截止阀（≥CL900）通常设计为压力密封阀盖的Y型截止阀，属于直流式截止阀。与中低压阀门常用的直通式截止阀相比，Y型截止阀流体阻力小、阀杆高度低、阀杆工作行程短、更便于检维修。直通式截止阀与Y型截止阀简图详见图2。由于Y型止回阀的介质流向与阀芯开启方向一致，在介质压力作用下，Y型截止阀更容易开启。如介质发生倒流，介质流向则与阀芯关闭方向一致，在介质压力作用下，Y型截止阀也更容易关闭。因此，Y型截止阀在高压加氢装置中得到广泛应用。

（a）

（b）

（a）直通式截止阀（b）Y型（直流式）截止阀图2 直通式截止阀与Y型截止阀（直流式）简图2.5 高压止回阀的设计与选型石油化工装置中止回阀的常用类型有升降式、旋启式、双板式、斜盘式、轴流式，其中升降式和旋启式应用最多。止回阀结构图详见图3。

（a）（b）

（c）（d）

（e）

（a）升降式止回阀（b）旋启式止回阀（c）双板式止回阀（d）斜盘式止回阀（e）轴流式止回阀图3 止回阀结构图参考SH/T3122-2013 《炼油装置工艺管道流程设计规范》第11.7条的要求，在高压加氢装置的设计中，高压泵和高压压缩机出口及其他位置用到的高压止回阀，一般设计成两种不同类型的止回阀，目的是降低止回阀的泄漏率并减少止回阀损坏失效的机率。双板式止回阀一般设计为对夹式，结构长度短，流体阻力小，常用于低压系统，可以节省空间。高压止回阀（≥CL900）可从升降式、旋启式、斜盘式、轴流式止回阀中选用两种不同类型的止回阀。旋启式与斜盘式止回阀结构类似，不能算作完整意义上的两种不同型式的止回阀，但在高压加氢装置中也有两者组合使用的实例。对于泵或压缩机出口，在开停机期间，泵出口管道容易发生水锤现象，压缩机出口管道容易出现出口压力频繁波动带来的阀瓣频繁开启和撞击。如采用传统的升降式或旋启式止回阀，在使用过程中容易产生较大的撞击噪音甚至严重的水锤破坏。如开机后压力存在波动，也会产生一定的撞击噪音。在高压加氢装置中，高压泵和高压压缩机出口可选择抗水锤和低撞击型的斜盘式止回阀和轴流式止回阀组合，投资成本也随之增加。斜盘式和轴流式止回阀同时使用时，建议斜盘式止回阀安装在管道上游，轴流式止回阀安装在管道下游。斜盘式止回阀，又称为无撞击式止回阀，是旋启式止回阀的变型，相对于旋启式止回阀，其阀座和阀瓣与阀体呈倾斜角度，采用偏心阀瓣结构设计，旋转臂更短，从而缩短了阀瓣行程，启闭速度更快，同时也减少了关闭过程中的泄漏量，密封更加可靠。另外，在关闭时，阀瓣与密封面逐步接触，进一步降低了工作时的撞击和噪声。转轴设置有内置和外置两种形式，外置式结构通过垫片、螺栓压紧的方式控制外泄漏；内置式结构无外泄漏点，更为安全可靠，常用于高温、高压、危险介质等苛刻工况。JB/T 11484-2013 4.13条明确规定高压旋启式止回阀阀瓣摇杆的转轴应采用“内置式”结构，不应采用从阀体外部穿入的结构。轴流式止回阀，又称静音式止回阀，阀芯采用文丘里式结构设计，使介质通过时呈流线型，具有快速启闭、运行平稳、介质阻力小、低噪声、低振动、流量系数大、密封性能好、操作能耗低、可在低压差下启闭等多重优点。与其他形式的止回阀相比，轴流式止回阀不是通过克服阀瓣的重力和背压实现阀门的开启，而是通过阀瓣前后的压力差克服弹簧弹力实现阀瓣的开启与关闭，阀瓣的开启程度与前后介质的，压力差始终处于动态平衡中，阀瓣行程短。当流体倒流时，可实现瞬间关闭，同时，弹簧有减振作用，使整个工作过程无噪音，大大减少了水锤现象。2.6 轨道球阀的设计与选型在高压加氢装置中，因轨道球阀具有开关行程短、快速启闭、启闭无摩擦、启闭扭矩小、密封可靠、使用寿命长、可频繁操作、可适用介质温差大、流量系数大、故障率低、可实现自清洗等优点，常用于新氢及循环氢压缩机出口、冷高分顶紧急泄放管线、原料油混氢点处的高压氢气管线等关键位置。轨道球阀的结构详见图4。

1.上阀杆2.防转销3.下阀杆图4 轨道球阀结构图轨道球阀，因其结构特点，又称为提升杆式轨道球阀。轨道球阀主要的结构特点是阀杆上端的导轨设计和阀杆下端的楔形结构设计，使其实现强制密封和无摩擦启闭。阀杆轨道分为两部分：S型轨道和直线型轨道。S型轨道使阀杆在转动的同时进行升降，可以缩短阀杆的设计长度，使阀门更加轻巧。与普通浮动球阀和固定球阀相比，轨道球阀在关闭时，不是通过介质压力密封，而是由位于阀杆下端的楔形斜面在阀杆下移过程中产生的机械楔紧力将阀球压紧到阀座圈上，达到强制密封效果，可以实现阀门密封的“零”泄漏和长期持续密封。即使外部强制力或管道内介质消失，靠楔紧力仍可以继续保持阀门密封位置的“零”泄漏。当阀门由开启位置至关闭位置时，阀杆先沿S型轨道下降和旋转，同时带动阀球旋转90度，使阀球密封面对准阀座，此后阀杆沿直线型轨道继续下降，依靠阀杆下方的楔形结构将阀球压向阀座，实现无摩擦的强制密封关闭。当阀门从关闭位置至开启位置时，阀杆先沿直线型轨道上升，楔形结构也随之上升，阀球离开阀座，阀杆继续沿S型轨道上升和旋转，同时带动阀球旋转90度，使球体通道与管道方向一致，实现无摩擦开启。与普通球阀相比，轨道球阀将启闭时阀球与阀座之间的摩擦转换为阀杆轨道与阀杆销钉之间的摩擦，不但保护了密封面还降低了启闭扭矩，使阀门密封更加可靠，使用寿命更长。由于阀杆销钉相对于阀杆较软，价格便宜，从而也降低了维护成本。轨道球阀通常设计为顶装式，可实现在线检修。阀座采用单阀座设计，从根本上避免了双阀座结构形成的密闭空间内的介质压力异常升高问题。在启闭的瞬间阀座和阀芯间形成环形微小间隙，带压流体会高速冲刷阀芯和阀腔，达到360度自清洗效果，进一步提高阀门密封寿命。

*本文节选自《阀门 · 学术版》2023年第2期，文章内容不代表《阀门》立场，如有不同观点，可以留言讨论，友好交流，共同进步。

END

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