大口徑閥門廠家北方閥門集團技術部整理，蝶閥是用圓盤式啟閉件往復回轉(zhuǎn)90度左右的流體開關，通常在液體，氣體，等流體管路系統(tǒng)中作為阻斷開啟，流量調(diào)節(jié)閥和阻尼閥功能。大口徑蝶閥是指口徑大于100cm以上的閥門。

  1　大口徑超高溫蝶閥概述

  大口徑超高溫蝶閥用于催化裂化裝置能量煙氣回收系統(tǒng)，裝置的正常操作溫度680℃，允許最高連續(xù)使用溫度720℃，最高超溫800℃，輸送含有催化劑顆粒的再生煙氣介質(zhì)。由于介質(zhì)對閥門沖刷強烈，為防止閥體壁厚因沖刷減薄而失效，閥體內(nèi)大面積堆焊硬質(zhì)合金，閥體極易產(chǎn)生變形和開裂，堆焊難度較大。因為系統(tǒng)溫度較高，金屬材料在高溫中機械性能急劇下降，閥門應選用耐高溫材料。為防止閥門泄漏超標，引起系統(tǒng)煙機不能正常停車，從而造成重大事故，對閥門密封結(jié)構(gòu)及其零件的加工精度要求較高。

  2　大口徑超高溫蝶閥結(jié)構(gòu)特點

  大口徑超高溫蝶閥閥體由鋼板和鍛件法蘭焊接而成。閥桿為整體鍛件結(jié)構(gòu)，由外部軸承座支撐，并通過二端銷連接帶動閥瓣轉(zhuǎn)動。  2個半圓閥座前后錯開，與閥瓣呈對稱式分布，結(jié)合對稱式流線形結(jié)構(gòu)的閥瓣，使閥門具有良好的流通性能。3組填料密封，外加密封劑和吹掃二道輔助密封組成了高可靠性閥桿填料密封系統(tǒng)（圖1）。

  3　大口徑超高溫蝶閥設計依據(jù)

  3.1　使用工況

  工作壓力　0.199MPa

  操作溫度　680℃

  使用溫度　720℃（連續(xù)工作最高溫度）

  最高超溫　800℃（<15min，每年少于6次）

  輸送介質(zhì)　含有催化劑顆粒的再生煙氣（最大顆粒直徑為9.6μm，煙氣中催化劑密度<200g/m3

  煙氣流量　67kg/s（最大）

  介質(zhì)流向　水平

  煙氣分子量　29.1

  3.2　設計參數(shù)

  煙氣流量　63kg/s（標準）

  設計壓力　0.259MPa

  設計溫度　704℃

  設計壓差　0.152MPa

  腐蝕裕度　3.2mm

  閥體直徑　1219mm（48in.內(nèi)徑）

  流通面積　7503cm2（全開啟）

  全開Cv值　42800

  泄漏率　最大流量的0.67%（Cvmax值的0.16%）

  4 大口徑超高溫蝶閥研制　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

  根據(jù)使用工況和設計參數(shù)要求，閥門研制的關鍵技術為正確選用主體材料、計算閥體最小壁厚、設計密封副結(jié)構(gòu)和閥桿填料密封系統(tǒng)。

  4.1　主體材料選用

  1）閥體材料　閥門設計執(zhí)行標準為ASMEB16134。按該標準中的壓力-溫度表計算得到的閥門常溫下的壓力等級數(shù)，就是設計基準，并以此來計算最小壁厚。在設計過程中，閥體材料也選ASMEB16.34標準規(guī)定的材料，并且材料的適用溫度高于閥門工況最高溫度。經(jīng)過查閱了大量國內(nèi)外類似工況的閥門設備材料使用情況，結(jié)合對高溫材料的使用經(jīng)驗，選擇了性價比較高的304H作為閥體材料。此材料可減小蠕變對材料的影響。

  2）閥桿材料　根據(jù)高溫強度估算，奧氏體鋼在704℃的高溫工況下，強度降低64.5%以上，如果采用加大閥桿直徑提高其強度的方法，則超出閥門結(jié)構(gòu)要求，因此奧氏體鋼不適宜做閥桿材料。lnconelX-750在704℃的高溫工況時，強度降低41.3%，但強度值還很大（表1）。根據(jù)屈服強度，并考慮持久強度計算得到的閥桿直徑，符合閥門結(jié)構(gòu)要求，因此閥桿材料選用lnconelX-750。

  4.2　結(jié)構(gòu)設計

  1）閥體最小壁厚

  閥體最小壁厚計算是為了保證閥門的壓力邊界完整。最小壁厚采用規(guī)則法計算，計算標準按ASMEB16.34，在選擇壓力-溫度額定值時，有2種磅級選擇法。一種是選擇標準磅級，計算得到的最小壁厚比較大，比較安全。另一種是選擇特殊磅級，計算得到的最小壁厚比標準磅級小，但無損檢測要求較嚴。根據(jù)高溫工況的設計經(jīng)驗，選擇了這二種磅級的組合形式，即在計算最小壁厚的壓力-溫度額定值時，選用標準磅級，而閥體的無損檢測要求按特殊磅級。

首先按標準磅級計算壓力等級額定指數(shù)Pc。

  ①已知設計溫度704℃，設計壓力0.259MPa，主體材料304H，按照ASMEB16.34采用插入法計算得到Pc=178lb。

  ②已知閥體進口流道內(nèi)徑dm=1219mm，Pc=178lb，按照ASMEB16.34，采用插入法計算，最小壁厚為28.42mm。

  ③48in1大口徑閥門應考慮結(jié)構(gòu)應力，需要增加壁厚附加值，其數(shù)值取6.35mm。

  ④考慮腐蝕裕度需增加壁厚附加值3.2mm。

  ⑤考慮結(jié)構(gòu)應力和腐蝕裕度后的最小壁厚為28.42+6.35+3.2=37.97mm。閥體最小壁厚取值為38mm。

  2）密封副結(jié)構(gòu)

  閥門泄漏率要求為最大流量的0.67%，當泄漏超標就會引起系統(tǒng)煙機不能正常停車，從而造成重大事故。普通煙氣蝶閥閥體通道內(nèi)沒有閥座，閥瓣僅起調(diào)節(jié)煙氣介質(zhì)流量的作用，不起密封作用。根據(jù)性能要求，大口徑高溫蝶閥設有閥瓣和閥座密封副，對閥門的流通性能、密封可靠性和啟閉力矩3個方面進行了設計研究。

  首先按常規(guī)蝶閥設計了密封副，此形式密封可靠，雖然閥瓣旋轉(zhuǎn)中心與密封面存在偏心力矩，使啟閉力矩增大，但經(jīng)過計算，力矩也在可以接受的范圍之內(nèi)。

  此結(jié)構(gòu)的缺點是流通性能差，不能滿足全開截面積的設計要求。經(jīng)過反復設計、修改和計算，完成了對開式閥座密封副設計，該閥座是2個半圓閥座，它們前后錯開與閥瓣呈對稱式分布，使得閥瓣能夠設計成對稱式流線形結(jié)構(gòu)，使閥門具有良好的流通性能，從而滿足了全開截面積要求和全開Cv值要求。由于閥瓣結(jié)構(gòu)對稱，所以啟閉力矩較小。雖然其密封面某一處可能有泄漏現(xiàn)象，但只要合理控制閥瓣和閥座的尺寸精度、形位公差和二者之間的裝配誤差，就能有效控制泄漏率在合格范圍之內(nèi)。

  3）閥桿密封結(jié)構(gòu)

  蝶閥用于催化裂化裝置能量回收系統(tǒng)，裝置上最高連續(xù)使用溫度720℃，最高超溫達800℃，不但工況惡劣，而且檢修周期長（最短為一年），要求在檢修周期內(nèi)閥桿密封可靠。閥桿的密封是通過填料組件實現(xiàn)。該填料組件由裝在填料函內(nèi)的內(nèi)側(cè)、中間和外側(cè)3組填料、4個隔環(huán)、2個止動螺栓、壓套、壓板和一組碟簧及螺柱螺母組成，外加吹掃系統(tǒng)和密封劑注入口來輔助密封（圖5）。

  隔環(huán)1設計長度盡可能長，使內(nèi)側(cè)填料離高溫區(qū)遠些，可延長填料及閥桿的使用壽命。隔環(huán)2的作用是讓內(nèi)側(cè)和中間二組填料壓縮均勻。隔環(huán)3的主要作用是容納密封劑。隔環(huán)4為開槽式，它與止動螺栓配合使用，當外側(cè)填料緊固時，也就緊固了其他填料。止動螺栓的作用是限制填料系統(tǒng)的相對位置。碟簧的作用是即使填料發(fā)生松弛，碟簧的預緊力也能保證填料處于相對壓緊狀態(tài)，防止因填料松弛而泄漏。

當發(fā)生泄漏時，吹掃系統(tǒng)中的流量指示器將顯示出流量。如果是漏向外側(cè)，可通過緊固填料螺栓來緊固外側(cè)的填料。當內(nèi)側(cè)泄漏時，可從密封劑注入口注入密封劑來加強中間填料。當隔環(huán)4接觸到底仍有泄漏時，必須更換外側(cè)填料。更換外側(cè)填料時，必須加強中間填料并且在獲得中間密封后，將吹掃裝置關斷。這時可在運行時卸除并更換外側(cè)填料。吹掃系統(tǒng)僅作為備用裝置。當內(nèi)側(cè)填料磨損不能形成密封情況下，使用吹掃裝置，從而使閥桿或隔環(huán)不出現(xiàn)損壞。吹掃裝置連接到高于閥門工作壓力0.04～0.07MPa的一個氮氣或儀表空氣的連續(xù)供氣源上。即使出現(xiàn)泄漏，泄漏的將是吹掃介質(zhì)，無任何危險，確保閥門使用安全。

  4）大口徑超高溫蝶閥超高溫填料

  填料選用柔性石墨。其在空氣中氧化溫度為450℃，并在此溫度下每24h后質(zhì)量減輕1%。溫度越高，質(zhì)量減輕得越多，氧化現(xiàn)象越嚴重。柔性石墨填料最高使用溫度為650℃，且僅用于非氧化介質(zhì)。考慮到填料在填料函內(nèi)處于壓緊密封狀態(tài)，只有一部分與空氣接觸，有資料介紹處于這種狀態(tài)的填料使用溫度可達816℃。為了驗證填料的可靠性，做了多次試驗。

  首次試驗是將填料壓緊在模擬的填料函內(nèi)，放入熱處理爐中加熱到816℃后保溫48h取出，原來灰黑色的填料變得灰黃，輕碰即碎，顯然填料已經(jīng)失效，但又不象氧化失效。經(jīng)分析確認，常規(guī)填料因為要防止Cr13材料的閥桿產(chǎn)生點腐蝕需填加緩蝕劑，是緩蝕劑導致了填料在高溫下失效。

  考慮到lnconelX-750閥桿材料不存在點腐蝕傾向，所以填料內(nèi)可以不加緩蝕劑。將不含緩蝕劑的填料壓緊在模擬的填料函內(nèi)，經(jīng)加熱至816℃并保溫48h后，灰黑色填料沒有變色，填料的彈性也沒變化，只是跟空氣接觸部分有明顯的氧化現(xiàn)象。為了改進柔性石墨的高溫性能，將不含緩蝕劑的柔性石墨與高溫抗氧化板制成的填料壓緊在模擬的填料函內(nèi)，經(jīng)加熱至816℃并保溫48h后，灰黑色的填料沒有變色，填料的彈性也沒變化，跟空氣接觸部分有少許氧化現(xiàn)象。由此初步證實了處于壓緊密封狀態(tài)的填料使用溫度可達816℃的可靠性。經(jīng)過多次試驗改進制成了超高溫柔性石墨填料。

  大口徑超高溫蝶閥的研制成功，主要解決了閥體主體材料的選用、蝶閥密封副結(jié)構(gòu)及閥桿密封結(jié)構(gòu)的設計等問題，并通過試驗選取了超高溫填料，為石化行業(yè)催化裂化裝置系統(tǒng)用閥門的設計和制造取得了經(jīng)驗。

關鍵詞：大口徑超高溫蝶閥