（机械电子工程专业论文）球阀在特殊工况下的设计与应用研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 随着国家经济水平的提高，化工设计行业对阀门制造业的要求也越来越高，尤其是 对阀门的性能的可靠性、耐用性等要求越来越高，并兼顾阀门的经济性( 价格的合理性) 。 在对当前石化行业阀门需求情况广泛调查的基础上，对闸阀、球阀的特点及实际使用情 况进行了对比，并对球阀设备生产厂家开展调研。在特殊工矿下的要求，结合工程实际， 在遵循阀门设计的基础上，研制开发了新型号球阀，旨在改变、提升作为控制系统核心 部件执行的元件球阀的密封性能、可靠性、启闭速度，降低阀门泄漏所造成严重的 原材料、能量和产品的经济损失和对环境造成的污染，进一步确认球阀在石化行业特殊 流程工艺上的应用实用性和必要性。 针对辽宁抚顺石油三厂芳烃装置苯塔回流泵出入口阀门系统在特殊工况下使用特 点及要求，讨论了闸阀、球阀工作原理及优缺点，通过分析比较，最终确定使用球阀为 控制阀门。在了解掌握选择阀门步骤的同时，进一步针对石化行业特殊流程工艺上的应 用实用的要求和特点，而选择阀门的依据，讨论了阀门泄漏的原因及密封对策，详细研 究了浮动球阀弹性密封圈结构设计。在上述工艺的基础上，通过对阀体壁厚的计算、球 闽法兰的计算、球阀阀杆强度元件的计算，结合特殊工矿下的要求，采用水压试验设备 对所设计的球阀进行了仿真实验。通过对水压试验压力实验结果的分析，可以发现所设 计的球阀能够满足设计要求，最终设计并由四川精控阀门制造有限公司制造出符合工艺 流程要求的球阀，经实际使用表明达到了预期的效果。 关键词：阀门；球阀；应用设计 球阀在特殊工况下的设计与应用研究 d e s i g na n da p p l i e dr e s e a r c hf o r t h eb a l lv a l v eu n d e rs p e c i a lo p e r a t i n g m o d e a b s t r a c t a l o n gw i t ht h es t a t ee c o n o m yl e v e le n h a n c e m e n t , t h ep e t r o c h e m i c a lm d l l s t r yh a sm o r e a n dm o r eh i g hr e q u i r e m e n t sf o rt h ev a l v em a n u f a c t u r i n gl e v e l ，s p e c i a l l yo nh i g hp e r f o r m a n c e o fr e l i a b i l i t ya n dd u r a b i l i t yu n d e rt h es u i t a b l ee f f i c i e n c y ( p r i c er a t i o n a l i t y ) o nt h eb a s i co f w i d e s p r e a di n v e s t i g a t i o n o ft h ev a l v ed e m a n ds i t u a t i o ni nt h ec u r r e n tp e t r o c h e m i c a l i n d m t r y ，t h ec h a r a c t e r i s t i c sa n dt h ea c t u a ls e r v i c ec o n d i t i o no ft h eg a t ev a l v ea n dt h eb a l l v a l v eh a v eb e e nc o m p a 佗d ，a n dt h ei n v e s t i g a t i o na n ds t u d yo ft h eb a l lv a l v ee q u l p m e m m a n u f a c t u r e r sh a v eb e e nm a d e u n d e rc o n s i d e r i n gt h es p e c i a li n d u s t r ya n dm i n i n gr e q u e s t , i n f o l l o w i n gt h ef o u n d a t i o no ft h ev a l v ed e s i g n , t h i sp a p e rh a sd e v e l o p e dt h en e wm o d e lb a l l v a l v ef o rt h ep u r p o s eo f c h a n g i n ga n dt h ep r o m o t i o nt h el e v e lo f t h ek e yp a r tw h i c hi n c l u d e s b a l lv a l v es e a l i n gp r o p e r t y , t h er e l i a b i l i t y , t h eo p e n i n g & s h u t t i n gs p e e d r e d u c i n gv a l v e d i v u l g i n gc a u s e dt h es e r i o u sr a wm a t e r i a l 也ee n e r g ya n dt h ep r o d u c te c o n o m i cl o a sa n dt h e e n v i r o n m e n tp o l l u t i o n t h a tf u r t h e rc o n f l i m st h eb a l lv a l v eu s a b i l i t ya n dt h en e c e s s i t yi nt h e s p e c i a lf l o wc r a f ta p p l i c a t i o no f t h ep e t r o c h e m i c a li n d u s t r y i nv i e wo ft h el i a o n i n gf u s h u np e t r o l e u mt h r e ef a c t o r ya r o m a t i ch y d r o c a r b o n i n s t a l l m e n tb e n z e n et o w e rr e f l u xp u m pa c c e s sv a l v es y s t e mu n d e rt h es p e c i a lo p e r a t i n gm o d e t h eh a n d l i n gc h a r a c t e f i s t i c sa n dt h er e q u e s t , t h i sp a p e rd i s c u s s e dt h em e r i t sa n dd i s a d v a n t a g e s o ft h ab a l lv a l v et h r o u g ht h ea n a l y s i sc o m p a r i s o n , t h eb a l lv a l v eh a sb e e nf i n a l l yd e t e r m i n e d t ou s e 嬲c o n t r o lv a l v e a f t e ru n d e r s t a n d i n gt h ep r i n c i p l eo fc h o i c ev a l v es t 印，f l l r t h e r c o n s i d e r i n gt h ea p p l i c a t i o np r a c t i c a lr e q u e s ta n dt h ec h a r a c t e r i s t i c si nt h ep e 仃o c h e m i c a l p r o f e s s i o ns p e c i a lf l o we m e t , t h ep a p e rd i s c u s s e dt h er e a s o l la n dt h es e a lc o u n t e r m e a s u r e w h i c h 锄p r e v e n t f r o md i v l l l g i n go f t h ev a l v e , a n dt h es t r u c t u r a ld e s i g no f t h ef l u c t u a t i o n b a l lv a l v ee l a s t i cs e a lp a c k i n gc o l l a rh a sb e e np r e s e n t e d i nt h ea b o v ec r a f tf o u n d a t i o n , s o m e c a l c u l a t i o n sh a v eb e e nm a d ei n c l u d i n gt h ev a l v ec h e s tw a l lt h i c k n e s sc o m p u t a t i o n , t h eb a l l v a l v ef l a n g ec o m p u t a t i o n , t h eb a l lv a l v ep o l ei n t e n s i t yc o m p u t a t i o na n ds oo n b e c a u s eo f t h e u n i o ns p e c i a li n d u s t r ya n dm i n i n gr e q u i r e m e n t s ，t h eh y 出a u l i cp r e s s u r et e s ta n dt h es i m u l a t i o n e x p e r i m e n th a v eb e e nc a r r i e do nt h es p e c i a lo p e r a t i n gm o d e t h r o u g ha n a l y s i st h ew a t e r p r e s s u r ee x p e r i m e n tr e s u l t s ，t h ep a p e rc o n c l u d e st h a tt h ed e s i g no ft h eb a l lv a l v ec a r ls a t i s f y t h ed e s i g nr e q u e s t t h eh a l lv a l v ew i t hn e w d e s i g ns t l u e t u r eh a sb e e nf i n a l l ym a d eb ys i c h u a n i i 大连理工大学硕士学位论文 j i n k o n gv a l v ec o l i d t os a t i s f yt h et e c h n i c a lr e q u i r e m e n t t h er e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no n t h en e ws l n | c t i l r eb a l lv a l v eh a v ea c h i e v e dt h ea n t i c i p a t e dr e s u l t s k e y w o r d s ：v a t y e ；b a l lv a i v e ；a p p l i e dd e s i g n 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均己在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名： 佛6 i 大连理工大学硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阋。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名：王墨望堂 导师签名：兰魁 导师签名：兰筮坠丛 堑年芝月上日 大连理工大学硕士学位论文 1 概述 1 1 课题的来源及意义 阀门是石油、化工、电站、长输管线、宇航以及海洋采油等国民经济各部门不可缺 少的流体控制设备上述工业的发展和需要，推动了阀门工业的发展。近年来，在满足 各方面高参数新要求的同时，对阀门的结构、材料和生产工艺等方面，对如何做到更好 地提高性能、可行性及降低成本等也予以密切关注。因此，对阀门要求进一步严格控制 内在质量。有些阀门需要得到国际上的权威机构认可，才能打开销路。例如，有些动力 工程阀门、核电阀门要得到a s 脏( 美国机械工程师学会) 的认可标记才能有人购买。但是 目前市场上工程阀门大多数进口或合资生产，价格昂贵，不利于推广使用。 自8 0 年代我国改革开放至今，我国的化工行业得到了长足的发展，发生了翻天覆 地的变化，化工设计行业也随之发生了很大的变化由于国外先进技术的不断引进及国 内化工技术开发力度的不断加大，化工产品种类不断增多，品种越来越齐全。随着国家 经济水平的提高，化工设计行业对阀门制造业的要求也越来越高，尤其是对阀门的性能 的可靠性、耐用性等要求越来越高，并兼顾阀门的经济性( 价格的合理性) 。同时化工 设计行业对阀门资料样本的要求也越来越高。随着化工设计行业的逐步与国际接轨，原 有的单纯从事工程设计的设计院纷纷向从事大型化工项目建设总承包的化学工程公司 转制，专业分工越来越细，与阀门企业的合作变的更复杂了，从而对阀门制造业的要求 也越来越高，越来越多。 阀门在石化行业的应用十分广泛，作为流体管道系统中的控制元件，主要起着隔离 设备和管道系统、调节流量、防止回流、调节和排泄压力的作用。当阀门泄漏时，不仅 会造成严重的原材料、能量和产品的浪费，对环境也造成严重的影响。经济损失和对环 境的污染程度又因介质的特性的不同而有在空气中扩散传播，其污染半径就会很广。 1 9 8 4 年1 2 月3 日凌晨，印度博帕尔农药厂一个装有4 5 t 液态剧毒的筒氛酸甲醋的设备 的阀门发生泄漏，顷刻间化为浓重的烟雾飘散在人口稠密的博帕尔市区，在短短几天里， 毒气就夺走了2 8 0 0 人的生命，其中有l0 万多人终生残废。前苏联的切尔诺贝利核电 站因为一个阀门的问题而酿成空前伤亡，所造成的直接和间接的经济损失及环境破坏也 难以估量。在石化行业中，以一套5 0 0 0 k t a 规模的常减压装置为例，一般情况o 5 的阀门泄漏所造成的经济损失和对环境造成的污染的确不可小觑m ，。 国产闸阀是所有各类阀门中应用最为广泛的一种，在系统中主要起着切断介质的作 用，即全开或者全关辽宁抚顺石油三厂芳烃装置苯塔回流泵出入口原采用阀门为普通 球阀在特殊工况下的设计与应用研究 单闸板闸阀，规格型号分别为z 4 l 肛2 5d n l 5 0 z 4 1 h - 2 5d n 2 0 0 ，输送介质为苯( 属有 毒介质) ，使用温度为6 0 ，使用压力为1 o m p a ，由于其在启闭过程中密封面的磨损较 大，使得高温状态下容易引起擦伤，低温下容易导致泄露。而且闸阀具有的双密封副， 在加工、研磨和维修时都具有相当的难度，阀门的启闭时间也通常较长。因此在特殊介 质和复杂工况下闸阀的采用受到了限制和制约。如在苯类、液态烃这类渗透性极强，而 泄漏后常温常压下会吸热，从而导致阀门密封性能进一步的下降。由于介质苯的渗透性 较强，闸阀在多次开关后就开始发生泄漏现象，无法起到密闭而隔离苯介质的作用。每 次修理泄漏阀门时，必须带压并临介质工作，苯是易燃易爆介质，同时对人体有极大的 毒害，苯蒸发气体造成了恶劣的维修环境，同时造成了极大的安全隐患，闸阀在应用过 程中就无法体现其优点，经常发生工艺流程系统无法有效切断，设备维修无法进行等问 题。 国产球阀不仅结构简单、密封性能好，而且在一定的公称通径范围内体积小、重量 轻、材料耗用少、安装尺寸小，驱动力矩也小，操作简便，易于实现快速启闭，已经成 为近十几年来发展最快的阀门品种之一。在化工( 如合成橡胶，合成塑料等装置中) 、 精细化工的间歇过程中，经常需向容器或反应器加入一定量的物料。这是典型的使用 旋转切断阀的场合，球阀可以打开并一直保持到需要的流量然后关闭。i 4 ( 0 9 0 0 行 程) 旋转切断阀还具有比直行程阀如闸阀及大转角阀开关迅速的优点。由于其本身具有 上面描述的优势，从而可以在这种应用场合下提供更高的性能价格比，给用户的长期运 行带来较大的收益。同时球阀最主要的阀座密封圈材料广泛的采用聚四氟乙烯( p t f f ) ， 它对几乎所有的化学物质都是惰性的，而且摩擦系数小，性能稳定，不易老化，温度适 用范围很广，密封性能优良等诸多优点使得球阀的应用特别是在石化行业的应用发展迅 猛。本次设计在原有工艺设计流程中新增切断球阀，并按照阀门选用的相关原则对新增 球阀进行了阀门设计及选用工作。由于主要是利用球阀密封性能较之闸阀好，才选用球 阀作为苯类介质流体输送流程中的阀门。 本文将结合“芳烃装置苯塔回流泵出入口工艺设计流程”( 辽宁抚顺石油三厂) 实 际特殊工况工程项目的需要，利用球阀组成控制系统，在实际设计计算并选用后及通过 仿真调试运行和分析研究，进行阀门应用并投入系统流程进行效绩考核。 1 2 球阀的总体设计思想 球阀是上世纪5 0 年代问世的一种新型阀门。在短短的几十年里，球阀已发展成为 一种主要的阀类，它在石油化工等许多方面都得到了广泛的应用。这是因为，球阀与其 它阀类相比，具有许多突出的优点。 - - 2 - - 大连理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 流体阻力小。球阀一般有缩径和不缩径通道两种结构，无论那种结构，球阀的 流阻系数都比较小。 ( 2 ) 开关迅速、方便。由于球阀在一般情况下只需手柄转动9 0 。就完成了全开或全 关动作，很容易实现快速启闭。 ( 3 ) 密封性好。目前，绝大多数球阀的阀座都是用聚四氟乙烯等弹性材料制造，金 属与非金属材料组成的密封副，通常称为软密封。一般说来，软密封的密封性容易保证， 而且对密封表面的加工精度与表面粗糙度要求也不很高。 ( 4 ) 寿命长由于聚四氟乙烯( p t f e 或f 4 ) 有良好的自润滑性，与球体的摩擦磨损小， 而且由于球体加工工艺的改进，使粗糙度降低，从而提高了球阀的使用寿命。据报道， 美国w _ k - m 公司在试验室内对球阀进行寿命试验，开关次数超过1 0 万次。 ( 5 ) 可靠性高。球阀的可靠性高主要是因为： 球体与阀座一对密封副不会发生擦伤、急剧磨损等故障； 阀杆改为内装式后，消除了阀杆在流体压力作用下可能因填料压盖松开而飞出的 事故隐患； 采用防静电、耐火结构的球阀，适用于输送石油、天然气、煤气的管线； 阀体内通道平整光滑更适于输送粘性流体、浆液，以及固体颗粒。 针对这些特点，能否将阀门泄漏的程度降到最低、使用寿命达到最长，取决于阀门 设计选型是否合理、密封形式的选用旖工及生产操作是否合乎规范等，而且很大程度上 是取决于阀门设计选型的优化”1 。 阀门设计选型的优化，牵涉到阀门形式的选择、阀门本身的设计及制造、阀门材料 的选用等从工艺条件的要求和设计规范的要求等角度进行全面优化考虑。阀门的用途、 介质的温度、压力、流速压降以及介质的腐蚀都直接影响到阀门的选型，还要根据介质 的温度和腐蚀性，选择制造阀门所使用的材料。在满足有关工艺要求、设计规范外，还 应充分考虑特定工况情况，使其尽可能与操作条件相匹配，通过对球阀在特殊介质工况 条件下的应用设计与研究，研制出( 无摩擦双面涨、缩自封式) 球阀针对现有阀门普遍 存在“跑、冒、滴、漏”现象和密封面易磨损、复位性差、操作力矩大、使用寿命短等 缺点，它采用双面撵涨、缩自封方式，因此启闭时均无摩擦。从而密封严格，启闭轻便 快速，比现有球阀省力5 0 一8 0 ；操作方便，调节自如；使用寿命长，比现有球阀使 用期长2 3 倍以上；易清洗，成本低，是现有球阀无法与其相比的，它是阀门更新换 代的理想产品。其技术指标达到或超过国家有关标准，辽宁抚顺石油三厂芳烃装置苯塔 回流泵出入口以球阀组成的控制系统是比较理想的选择。 球阀在特殊工况下的设计与应用研究 1 3 本文完成的主要工作 ( 1 ) 在特殊工况下的要求，结合工程实际，研制开发了新型号球阀，旨在改变、提 升作为控制系统核心部件执行的元件球阀的密封性能、可靠性、启闭速度，降低阀 门泄漏所造成严重的原材料、能量和产品的经济损失和对环境造成的污染，进一步确认 球阀在石化行业特殊流程工艺上的应用实用性和必要性。 ( 2 ) 针对系统的要求和特点，讨论了闸阀、球阀工作原理，通过分析比较，最终 确定使用球阀。在了解掌握选择阀门步骤的同时，还应进一步了解选择阀门的依据针对 石化行业特殊流程工艺上的应用实用的要求和特点，讨论了浮动球阀弹性密封圈结构设 计，通过综合设计，最终设计出符合工艺流程的球阀。 ( 3 ) 在上述工艺的基础上，通过对阀体壁厚的计算、球阀法兰的计算、球阀发杆 强度元件的计算，结合特殊工矿下的要求，得到了改进后应用的球阀。 ( 4 ) 利用特殊工况下的要求，采用水压试验设备对所设计的球阀进行了仿真实验。 通过对水压试验压力实验结果的分析，可以发现所设计的球阀能够满足设计要求，达到 了预期的效果。 - - 4 - - 大连理工大学硕士学位论文 2 当前国内外阀门的研究状况 当前阀门企业都非常重视新产品的开发。应当看到，我国的阀门工业发展到今天， 虽然与国际先进水平尚有差距，但已经超越了简单地照搬吸收的阶段。寻求进一步发展 的技术途径，应当在分析借鉴国外先进产品的同时，从更深的层次上对阀门技术发展的 趋势和产品开发的走向进行综合的分析和思考，努力开发具有自主知识产权的新产品。 阀门广泛应用于国计民生的各个领域，由于要适应各种不同工况条件的要求，因而它的 品种繁多数量巨大。我国的阀1 - j $ j 造业十分庞大，阀门厂家数以千计，遍布全国，目前 我国已成为全球阀门产量和市场需求量最大的国家之一。但是我国的阀门行业大多为中 小企业，良莠不齐，年产值超亿元的仅有3 家，即使与国内其他机械行业相比，在装备 上还是技术水平上存在很大的差距，真正具有独立研究开发高端产品能力的单位很少。 2 1 国内市场 国内市场又分新建、扩建程项目市场，老装置维修、改造项目市场。从这两块市 场来看，普通阀门产品严重供大于求，其次，企业之间竞相压价，无序竞争，假冒伪 劣，市场很不规范，导致某些阀门生产企业在惨烈的竞争中，连年大幅度亏损。从 这两块市场的需求来看，随着市场经济的发展和完善，特别是进入世界贸易组织( w t 0 ) ， 其市场变化越来越大，企业受市场的影响越来越深，用户对市场产品的需求越来越高， 对产品开发、生产周期的需求越来越短嘲。 我国阀门生产三家约2 3 0 0 多个，能提供的阀门产品有几大类，3 5 0 0 多个品种，4 0 0 0 0 多个规格 ( i ) 城市建筑用阀门：城建系统一般采用低压阀门，目前正向环保型和节能型方 向发展。环保型的胶板阀、平衡阀及中线蝶阀、金属密封蝶阀正在逐渐取代低压铁制闸 阀。国内城市建筑需用阀门多为平衡阀、软密封闸阀、蝶阀等。 ( 2 ) 城市供热用阀门：城市代热系统中。需用大量的金属密封蝶阀、水平平衡阀 及直埋式球阀、因这类阀解决管道纵向、横向水力失调问题，达到节能、代热平衡的目 的。 ( 3 ) 环保用阀门；国内环保系统中，给水系统主要需用中线蝶阀、软密封闸阀、 球阀、排气阀( 用于排除管道中的空气) 污水处理系统主要需用软密封闸阀、蝶阀。 ( 4 ) 城市燃气用阀门；城市燃气占整个天然全市场的2 2 ，阀门用量大，其类型也 多。主要需要球阀、旋塞阀、减压阀、安全阀。 ( 5 ) 长输管线用阀门：长输管线主要为原油、成品没及天然管线。这类管线需用 一5 一 球阀在特殊工况下的设计与应用研究 量居多的阀门是锻钢三体式全通径球阀、抗硫平板闸阀，安全阀，止回阀。 ( 6 ) 石化装置用阀f 3 ：a 、炼油装置，炼油装置需用的阀门大多是管道阀门， 主要为闸阀、截止阀、止回阀、安全阀、球阀、蝶阀、疏水阀、其中，闸阀需量占阀门 总数的8 0 9 6 左右，( 阀门占装置总投资的3 5 ) b 、化纤装置，化纤产品主要有涤 纶、晴纶、维纶三大类。其需用的阀门的球阀、夹套阀( 夹套球阀、夹套闸阀、夹套截 止阀) 。c 、丙烯睛装置。该装置一般需用标准生产的阀门，主要为闸阀、截止阀、止 回阀、球阀、疏水阀、针型阀、旋塞阀、其中，闸阀占阀门总量的7 8 左右。d 、合成 氨装置。由于合成氨原和净化方法不同，其工艺流程不同，所需阀门的技术性能也不同。 目前，国内合成氨装置主要需用闸阀、截止阀、止回阀、疏水阀、蝶阀、球阀、隔膜阀、 调节阀、针型阀、安全阀、高温低温阀。其中，截止阀占装置用阀总数据的5 3 4 ，闸阀 占2 5 1 ，疏水阀占7 7 ，安全阀占2 4 ，调节阀和离低温阀及其它占1 1 4 e 、乙烯装 置，乙烯装置是石油化工的龙头装置，其需用阀门种类繁多。闸阀、截止阀、止回阀、升 降杆式球阀占大多数，其中闸阀需居首。“十五”规划，全国还需建年产6 6 万吨的乙 烯装置6 套，其阀门需求量可观。另外，大型乙烯和高压聚乙烯装置还需用超高温，越 低温及超高压阀门系列产品。f 空分装置。“空分”即空气分离，该装置主要需用截 止阀、安全阀、止回阀、调节阀、球阀、蝶阀、低温阀。g 、聚丙烯装置，聚丙烯易是 以丙烯为原料，经聚合而成的高分子化合物，该装置主要需用闸阀、截止阀、止回阀、 针型阀、球阀、疏水阀。 ( 7 ) 电站用阀门：我国电站的建设正向大型化方向发展，所以需用大口径及高压 的安全阀、减压阀、截止阀、闸阀、蝶阀、紧急切断阀及流量控制阀、球面密封仪表截 止阀，( 根据国家“十五”规划，除内蒙、贵州两省还可建2 0 万千瓦以上机组外，其它 省市则只能建3 0 万千瓦以上的机组) 。 ( 8 ) 冶金用阀门：冶金行业中氧化铝行为主要需用耐磨料浆阀( 在流式截止阀) 、 调节疏水阀。炼钢行业主要需用金属密封球阀、蝶阀及氧化球阀、截止闪和四通换向阀。 ( 9 ) 海洋平合用阀门：随着海上油田开采的发展，其海洋平发需用阀门的量也逐 渐增多。海洋平台需用关断球阀、止回阀、多路阀。 ( 1 0 ) 食品医药用阀门：该行业主要需用不锈钢球阀、无毒全塑球阀及蝶阀。 2 2 国外市场 随着国外现代化大工业的迅速发展，阀门工业的生产发展也很迅速。大约在上世纪 5 0 年代以前，不少国家就形成了独立的阀门专业及其行业体系，有了阀门行业组织或阀 门专业学术组织。例如：两欧、美国、英国等就有阀门行业协会；日本有阀门工业会 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 和阀门研究会；前苏联有阀门的设计研究院所。这些阀门行业和专业组织，都是为了提 高生产技术和对外竞争的需要而组建起来的。几个主要工业发达国家目前阀门行业构成 情况如下“ 阀门行业职工人数( 以2 0 0 0 年为例) 美国有职工7 7 5 0 0 人，其中工人占7 0 ，科 技与管理人员占3 0 ；英国8 0 0 0 0 人；德国5 2 5 0 0 人；日本3 5 0 0 0 人；意大利1 5 0 0 0 人：法国1 1 5 1 9 人。阀门制造企业总数美国9 0 0 家，最大企业人数3 5 0 0 人；日本1 5 0 7 家，最大企业人数9 0 0 人；德国4 5 0 家，最大企业人数3 3 0 0 人；英国4 9 0 家，最大企 业人数1 1 0 0 人；法国4 0 0 家，最大企业人数1 0 0 0 人。 由此可见，阀门生产制造企业数量最多的是日本，职工人数最多的是美国。日本阀 门行业职工只有美国的二分之一，而企业总数将近美国的两倍。与美国相比，日本阀门 行业中小型居多数，较大的企业约有2 5 0 家。国际阀门贸易市场在最近几年中十分活跃， 竞争也相当激烈。势力较强的是德国和美国。德国是世界最大的阀门出口国。1 9 8 5 年意 人利阀门贸易额超过美国，位居第二2 0 0 4 年工业发达国家的阀门总进出口额所占比 重分别为：德国2 2 2 ，意大利1 6 6 ，美国1 0 9 ，日本1 0 7 ，法国9 7 。 2 0 0 5 年世界前八名阀门进出口贸易额的排名如下：德国2 7 3 9 8 百万德国马可，意大 利2 1 2 7 5 百万德国马可，美国1 8 3 3 i 百万德国马克，日本1 6 8 3 5 百万德国马克，法 国1 5 4 5 7 百万德国马克，英国1 3 7 6 7 百万德国马克。东亚和东南亚的阀门进出口增 长迅速，北美的欧共体等发达国家间的市场贸易持续发展，德国、意大利、日本、中国 等国家和地区的出口扩大，美国，英国、法国等国家进口的高速增长，形成了国际阀门 市场繁荣的支撑点，再者，由于世界经济进一步国际化，跨国公司将不断推动国际阀门 市场的发展，国际贸易地区化是毕成为另一大特点。随着进入，f i o ，我国阀门市场正面 临国外阀门厂商的竞争，从国外进口的阀门数额将有较大的增长，同时，中国的中、低 档阀门产品，出品会有更大的空间。 目前，国内外阀门市场竞争很剧烈，尤其是国内市场，国营企业与乡镇企业和民营 个体企业之间的竞争，加之其购买力的相对减弱，使一些阀门企业面临生存的危机，同 时，国外市场的一些机会，也导致国内企业为了生存去努力开拓。借美国对中东伊拉克、 伊朗制裁的机会和出口形势的看好，我国质量较高、价格较廉的阀门产品，很容易打入 中东市场、出口到发达国家。因此，所有的阀门企业，应抓住机会，针对国内外阀门市 场的需求，拓展市场，增加出口，以求发展。尽管我国阀门行业各生产厂家正逐步加大 科研和开发力度，但产品技术上的落伍，使得竞争不得力，生产的阀门品种仅能满足市 场需求的7 0 5 左右。短缺的低压大口径阀门及产需矛盾在品种和材质上的高中压阀门， 特别是密封结构设计技术、材质问题等已经为不少阀门制造企业所掌握，部分制造企业 球阀在特殊工况下的设计与应用研究 的产品已经接近和达到国际先进水平并取代了进口产品或出口国外，整体水平也不断在 提高。由于受制于我国机械制造业整体水平的限制，阀门质量仍亟待进一步提高。市场 的竞争，永远是优胜劣汰。加快产品结构的调整，技术的更新，新品的开发，各牌的创 立是企业自身生存、发展、占场国内外市场的根基。阀门技术的发展，依赖于材料科学， 结构学的发展。近年，我国合成材料，新合金钢及新技术的发展，新兴金属材料的利用， 取得了很大进展，这些都为阀门技术的发展增添了新的内容。如钛金属的发展，由于钛 对氧有极高亲和力，能生成一层牢固的氧化物保护膜，以致在许多强腐蚀介质中呈钝态， 显示优异的耐腐蚀性能，可在酸、碱和有机物中广泛使用，在某些混合有机酸中不锈钢 伐只使用一二星期，而钛阀可以长期使用。另外，金属材料锆，也是另一神耐腐蚀性能 良好的金属。合成材料更是层出不穷，如聚丙烯、聚碳酯、尼龙等材料制造阀门，已在 化工领域使用。新型陶瓷阀门也正在逐步推广使用。在国内是近十多年的事情。新密封 材料既柔性石墨的应用。它是在石墨的晶格中浸入某种液体，随后强制汽化，改变晶格 排列方向，从而改变石墨脆性而成为柔软的物质，他可以做垫片和盘根，由于石墨纯度 高，几乎能耐所有化学品种，如果在其中夹镍丝增加强度可用于高温高压电控阀门作填 料、垫片。 世界各国为了降低成本，提高竞争能力，成套设备向大型化发展；一座6 0 0 万吨 年炼油厂与两座3 0 0 万吨年炼油厂相比，投资只相当于后者的6 9 ，钢材消耗量为5 3 ，占地面积为5 4 ，生产费用是7 5 ，而劳动生产率却提高了1 7 0 。国外目前最大 炼油厂为3 6 4 0 万吨年，而2 0 0 0 万吨年以上已有2 0 多家。 随着炼油业发展输油管线也得到快速发展。目前己建成最长输油管线4 8 3 0 公里( 伊 朗) 。最长输气管线7 6 8 0 公里( 从阿拉斯加经加拿大到美国) 最大管径1 4 2 0 r m 和1 6 2 0 m m 。 最大管线压力9 1 2 m p a 这些管线对阀门有着严格要求，均采用遥控操纵。 以上综述，设备的大型化对阀门材料、结构、可靠性提出了更为严格的要求。 2 3 生产厂家的调研 在国内，辽宁抚顺石油三厂的生产人员及设计人员调研了四川精控阀门制造有限公 司，该公司专业从事各类球阀、闸阀等各类管线阀门及各类驱动装置的生产制造及服务。 全部采用美国y ji n d u s t r i a lc o ，l t d ( u s a ) 最新技术资料、最合理产品设计，最 优生产工艺，加之国外购置关键加工设备保证阀门精确加工。该厂生产的产品可以说是 我国阀门制造行业技术与国外先进阀门设计制造技术进行有机结合的产物，可以反映我 国及国外阀门生产制造的先进水平。 本课题的研究将通过研究先进的设计理论和方法，针对在石化流程工艺特殊工况 一窖一 大连理工大学硕士学位论文 下，对球阀展开的设计应用研究，反映了国内国外较先进的设计选用理念，具有较强的 现实和实践意义。 球阀在特殊工况下的设计与应用研究 3 特殊工况下设计及选择阀门的依据 3 1 阀门的分类说明 阀门依其功能进行分类可分为开关阀类、节流阀类、止回阀类、压力控制阀类及特 殊阀类等，今天我们所要研究的闸阀和球阀均为开关阀一类。 闸阀是指关闭件( 闸板) 沿通道轴线的垂直方向移动的阀门，在管道上主要作为切 断介质用，即全开或全关使用。通常不作为调节流量的手段。它可以适用于低温低压也 可以适用于高温高压，并可以根据不同的材质用于不同的介质。 球阀是由旋塞阀演变而来，它的启闭件为一个球体，利用球体绕阀杆的轴线旋转9 0 度实现开启和关闭的目的。由于其结构设计、密封材料的选用及其计算机辅助设计机辅 助制造技术的应用等使得球阀的应用逐渐广泛。 3 2 阀门的特性 在流体管道系统中，阀门是控制元件，其主要作用是隔离设备和管道系统、调节流 量、防止回流、调节和排泄压力。由于管道系统选择最适合的阀门显得非常重要，所以， 了解阀门的特性及选择阀门的步骤和依据也交得至关重要起来。阀门行业到目前为止， 已能生产种类齐全的闸阀、截止阀、节流阀、旋塞阀、球阀、电动阀、隔膜阀、止回阀、 安全阀、减压阀、蒸汽疏水阀和紧急切断阀等1 2 大类、3 0 0 0 多个型号、4 0 0 0 多个规格 的阀门产品：最高工作压力为6 0 0 m p a ，最大公称通径达5 3 5 0 m m ，最高工作温度为1 2 0 0 ，最低工作温度为一1 9 6 ，适用介质为水、蒸汽、油品、天然气、强腐蚀性介质( 如 浓硝酸、中浓度硫酸等) 、易燃介质( 如笨、乙烯等) 、有毒介质( 如硫化氢) 、易爆介 质及带放射性介质( 金属钠、一回路纯水等) 。阀门承压件材质铸铜、铸铁、球墨铸铁、 高硅铸铁、铸钢、锻钢、高、低合金钢、不锈耐酸钢、哈氏合金、因科镍尔、蒙乃尔合 金、双相不锈钢、钛合金等。并且能够生产各种电动、气动、液动阀门驱动装置。面对 如此众多的阀门品种和如此复杂的各种工况，要选择管道系统最适合安装的阀门产品， 我以为，首先应了解阀门的特性；其次应掌握选择阀门的步骤和依据；再者应遵循选择 阀门的原则。阀门的特性一般有两种，使用特性和结构特性。 ( 1 ) 使用特性：它确定了阀门的主要使用性能和使用范围，属于阀门使用性能豹有： 阀门的类别( 闭路阀门、调节阀门、安全阀门等) ；产品类型( 闸阀、截止阀、球阀、 蝶阀等) ；阀门的主要零件( 阀体、阀盖、阀杆、阀瓣、密封面等) 的材料；阀门的传 动方式等； ( 2 )结构特性：它确定了阀门的安装、维修、保养等方法的一些结构特性，属于 大连理工大学硕士学位论文 结构特性的有：阀门的结构长度和总体高度；与管道的连接形式( 法兰连接、螺纹连接、 夹箍连接、外螺纹连接、焊接端连接等) ；密封面的形式( 镶圈、螺纹圈、堆焊、喷焊、 阀体本体) ；杆结构形式( 旋转杆、升降杆) 等。 3 3 闸阀与球阀的特性及比较阀 3 ，3 1 闸阀的基本特性 基本特性：闸阀是为了于一管线上某一部位系统需要“全开、全关”控制且流体流过 仅能以微少之压力降产生时而设计使用的当一系统中某一部位需要隔离，而不是考虑 流体节流控制时闸阀是非常理想而适合的。因为当节流使用时，流体会高速流经阀座， 对阀板及阀座造成冲蚀，引起阀门的震动和损伤。如图3 - 1 所示。 图3 - 1 闸阀 f i g u r e3 - 1g a t ev a l v e 3 3 2 闸阀结构形式 闸阀有各种不同结构形式，其主要区别是采用的密封元件结构形式不同。根据密封 元件的结构，闸阀分成几种不同的形式，最常用的形式是平板闸阀和楔式闸阀，根据阀 杆的结构，还可以分为升降杆和旋转杆闸阀。平板闸阌又分为单闸板闸阀和双闸板闸阀。 我们的课题研究的主要是小口径中低压闸阀中通常采用的升降杆单闸板闸阀。 ( 1 )平板闸阀 平板闸阀是一种关闭件为平行闸板的滑动阀。其关闭件可以是单闸板或者是其间带 有撑开机构的双闸板。 闸板向阀座的压紧力是作用于浮动闸板或浮动阀座的介质压力来控制。如果是双闸 板平板闸阀，则两闸板间的撑开机构可以补充这一压紧力。 平板闸阀的优点是阻力小，不缩口的流道其流阻与短直管的流阻相仿。由于闸板是 在两阀座面上滑动，因此平板闸阀也能适用于带悬浮颗粒的介质、平板闸阀的密封面实 球阀在特殊工况下的设计与应用研究 际上是自动定位的。阀座密封面不会受到阀体热变形的损坏。而且即使阀门在冷状态下 关闭，阀杆的热伸长也不会使密封面受到过载。同时当阀门关闭时，无导流孔的平板闸 阀亦不要求闸板的关闭位置有较高的精度，因此电动平板阀可用行程来控制启闭位置。 基于以上的优点辽宁抚顺石油三厂芳烃装置苯塔回流泵出入口控制阀均采用普通单闸 板闸阀。 ( 2 ) 平板闸阀的密封原理： 双闸板平板闸阀取闸板平板闸阀的关闭件由两块闸板组成，中间装有弹簧或楔 式机构。这些弹簧和楔式机构的作用是保持与进出口处的两密封面滑动接触并产生密封 比压，以保证进出口端都能密封，属于双面强制密封。不过，中间装有弹簧的双闸板平 板闸阀，在低压时介质压力不足以克服弹簧力。是双面强制密封：但在高压时，介质压 力可克服弹簧力，推动闸板向出口端，就成了单面强制密封。两闸板间装有楔式机构的， 当关闭时，楔式机构就将两闸板撑开，压紧密封面，产生密封比压，关闭越紧密封比压 越大，因此属双面强制密封。 单闸板平板闸阀单闸板平板闸阀有浮动阀座与固定阀座两种。浮动阀座的平板 闸阀，靠介质压力将其推向闸板，保证密封。还有的浮动阀座平板闸阀的密封作用是靠 每次操作时向出口的阀座面添加密封剂达到的。为此，浮动阀座带有一槽，其中加有密 封剂并在其上部有一浮动活塞，而且整个阀腔注有油脂，并由油脂将介质压力传给出口 储槽活塞的顶部。阀门在使用时密封剂和油脂可从外添加。每一储槽的剂量约可操作1 0 0 次。这种密封形式在介质压力高时，可达到较高的密封性能。固定式阀座的平板闸阀， 靠介质压力把闸板推向出口密封面，达到密封，介质工作压力越高，密封性能越好， 当然阀座和闸板密封面的表面粗糙度一定要小。这种平板闸阀属于单面强制密封 平板闸阀的缺点是当介质压力低时，金属密封面的密封力不足以达到满意的密封。 相反当介质压力高时，如果密封面不用系统介质或外来介质润滑时，经常启闭就可能使 密封面磨损过大。另一个不足是，在圆形流道上横向运动的圆形闸板只有当阀板处在阀 门关位置的5 0 时，( 由于圆形闸板遮挡圆形通道的面积，在5 0 时阀杆的升降距离与 遮挡面积接近正比) ，这时阀门对流量的控制才较敏感。另外，闸板在切断高速和高密 度介质时，会产生剧烈振动。如果将阀座作成v 形通口并和闸板紧密的导向，则它也可 用作节流。 辽宁抚顺石油三厂芳烃装置苯塔回流泵出入口原采用阀门为普通单闸板闸阀，规格 型号分别为z 4 1 h - 2 5d n l 5 0 z 4 1 h - 2 5d n 2 0 0 ，输送介质为苯( 属有毒介质) ，使用 温度为6 0 ，使用压力为1 0 m p a ，由于介质苯的渗透性较强，闸阀在多次开关后就开 始发生泄漏现象，无法起到密闭而隔离苯介质的作用。每次修理泄漏阀门时，必须带压 大连理工大学硕士学位论文 并临介质工作，苯是易燃易爆介质，同时对人体有极大的毒害，苯蒸发气体造成了恶劣 的维修环境，同时造成了极大的安全隐患，对此，本次设计在原有工艺设计流程中新增 切断球阀，并按照阀门选用的相关原则对新增球阀进行了阀门设计及选用工作。 3 3 3 球阀的特性 球阀在石化特殊工艺上主要用于切断、分配和改变介质流动方向，设计成v 形开口 的球阀应具有良好的流量调节功能。如图3 - 2 所示。 ( 1 ) 基本特性：球阀由旋塞阀演变而来，以球塞代替了柱塞来控制液体，旋塞内的 通道截面与配合管线的管径相同，流体作直线通过阀体，且只有微小的压力降。现在普 遍采用p t e e 等材料作为阀座密封材料，因此密封性能优良。结构上改良为防火防静电 的安全设计，提高了安全性。但也因为由于p t e e 材料的使用，使其使用温度受限于2 5 0 c 以下。它具有以下优点：流体阻力小，其阻力系数与同长度的管段相等。 结构简单、 体积小、重量轻。紧密可靠，目前球阎的密封面材料广泛使用塑料、密封性好，在真 空系统中也已广泛使用。 操作方便，开闭迅速，从全开到全关只要旋转9 0 0 ，便于远 距离的控制。维修方便，球阀结构简单，密封圈一般都是活动的，拆卸更换都比较方 便。在全开或全闭时，球体和阀座的密封面与介质隔离，介质通过时，不会引起阀门密。 封面的侵蚀。适用范围广，通径从小到几毫米，大到几米，从高真空至高压力都可应用。 球阀是