加氢裂化装置高压阀门的特点与选用.docx

加氢裂化装置高压阀门的特点与选用沈红杰(中国石化有限股份公司上海高桥分公司 ,上海 200137)摘要 :针对加氢裂化装置高压阀门使用特点 ,通过对阀门设计制造中具体问题的探讨 (如阀体锻造和铸造关系 、阀体材料选择 、密封面 Stellite 6 与 Stellite 21 区别 、压力自密封 、合理填料密封结构 、加氢裂化阀门阀杆材 料等) 以及提升式轨道球阀的特殊结构与要求的介绍 ,提出了加氢裂化装置高压阀门的选用要求与质量控制 要点 。关键词 :加氢裂化 高压阀门 阀体 阀杆中图分类号 : TE624. 432 文献标识码 :B密封面文章编号 :1007 - 015X(2004) 03 - 0045 - 051加氢裂化装置高压阀门特点加氢裂化工艺具有高压 、高温和临氢 ( 并含有 硫化氢) 特点 ,其压力一般为 1420MPa ,在反应系 统温度高达 400 左右 。目前国内生产的加氢裂化高压阀门在工程使用中主要存在以下问题 :阀体泄漏 (铸造阀体砂眼 、 裂纹等) 、阀门密封面内漏 、填料函密封泄漏 、阀盖 与阀体连接处泄漏及阀杆断裂等 。国外制造的优 质阀门因采取合理的结构设计 、制造工艺和材料选择等措施 ,则较好地解决了上述问题 。铸造工艺是影响材料性能的关键因素 ,它涉及到了铸模材料选择 、木模外形设计 、浇铸温度控制 和浇铸方法选择等方面 。总之 ,有利于改善铸件质 量的工艺如精密铸造 、压力铸造和真空浇铸等应作 为阀门制造厂今后的发展方向 。焊补是处理铸件缺陷的一种补救措施 。但每 个阀门的焊补数量 、焊补面积和焊补次数等应有限 制 ,否则会导致材料的综合性能下降 。目前 ,加氢裂化高温 、高压 、临氢阀门一般不允许承压部件采用焊补 。2 阀体锻造和铸造1 2阀门承压部件的制造方法有铸造和锻造两种 。 锻造阀体晶粒组织均匀 ,不存在气孔 、疏松 、大尺寸圆形夹杂 、柱状组织等缺陷 ,而且金属致密 ,综 合机械性能好 ,应力集中区域材料呈流线型 ,抗高 温蠕变 、疲劳能力高 ,因此锻造是制造加氢裂化高 压临氢阀门承压部件的理想方法 。但大多数承压 部件的外形比较 复 杂 , 故 国 外 大 多 数 阀 门 厂 对 于 DN 100mm 阀门的主要承压部件仍采用铸件 。不锈钢 321 材料只有锻造材料标准 ,而无铸造 材料标准 。为了保证铸件质量 ,应从冶炼 、铸造工 艺和焊补 3 个主要方面进行控制 。目前国内阀门厂普遍采用电炉冶炼 ,而国外大多数阀门厂则采用 VOD 或 AOD 冶炼方法 。VOD/ AOD 与电炉冶炼相 比 ,其有益合金元素烧损少 ,材料成分更容易接近 理想状态 ,而且脱气性好 ,有害杂质元素少 ,故获得材料品质也就比较高 。3阀体材料的选择阀体是阀门主要承压部件 ,在加氢裂化装置中 低温部位选择碳钢阀体 ,高温 、临氢 ( 和硫化氢) 部 位一般选用 347 不锈钢 。3 . 1WCB 与 WCC目前碳钢铸件阀体常用 WCB 和 WCC ( 其化学 成分和机械性能见表 1) ,它们都属于 ASTMA216 标 准 ,WCC 的碳含量比 WCB 稍低 。在 750 ( 399 ) 以下 ,WCC 许用应力比 WCB 稍高 ,在 7501000 (399538 ) 间两者许用应力相同 。加氢裂化阀 门采购中 ,如对 WCB 阀体与管道采用焊接连接时 , 规定碳含量在 0 . 25 %以下 。通过碳含量和相应的 收稿日期 :2004 - 02 - 24 。沈红杰 ( 1972 - ) , 男 , 1998 年毕业于西安交通大学焊接专 业 ,获硕士学位 ,工程师 。现从事润滑油加氢设备技术管理 工作 ,已发表论文 3 篇 。46 石油化工腐蚀与防护第 21 卷焊后热 处 理 , 确 保 阀 体 硬 度 小 于 22 HRC1 以 满 足NACE MR0175 - 94 标准中防止湿硫化氢应力腐蚀 开裂的规定 。ASTM A216 标准中 : 对 WCB 和 WCC阀体任何焊接修理后 ,应进行消除应力处理或焊后热处理 ,也是基于上述原因 。表 1 WCB 和 WCC 化学成分和机械性能化学成分 , %机械性能材料 C Mn P S Si b/ MPa 0. 2/ MPa , % , % WCB0 . 30 1 . 00 0 . 04 0 . 045 0 . 60 4856552502235 WCC 0 . 25 1 . 20 0 . 04 0 . 045 0 . 60 485655 275 22 35 3 . 2 不锈钢 347 阀体材料因为 347 不锈钢抗高温氢腐蚀 、硫化氢腐蚀以 及连多硫酸腐蚀性能较好 ,在加氢裂化装置中同时 置于高压 、高温 、临氢和硫化氢工况的阀门阀体材 料一般 选 用 347 不 锈 钢 。其 锻 件 一 般 执 行 ASTMA182高温用锻制或轧制合金钢管道法兰 、锻制管配件 、阀门和零件标准 ,牌号为 F347 。347 不锈钢 铸件 有 ASTM A744 和 A351 两 个 标 准 , 牌 号 为 CF8C 。A351 为承压零件的奥氏体和奥氏体铁素 体钢铸件标准 ,A744 为适 用 于 恶 劣 工 况 ( severe service) Cr - Ni 铁基抗腐蚀铸件标准 。A744 标准 对接触腐蚀介质 表 面 修 补 后 , 要 求 进 行 焊 后 热 处 理 ,该标准适用腐蚀工况 ,因此 A744 Gr . CF8C 比 A351 Gr . CF8C 更具有抗腐蚀性 ,价格也更贵 。用 户可根据实际工况 ,确定选用具体标准 。4 阀门阀杆材料的选用目前国 外 加 氢 裂 化 装 置 阀 门 常 用 的 阀 杆 有 : A182 - F6a CL2 ,A479 - 410CL3 和 A638 - 660 。其 中 A182 - F6a CL2 和 A479 - 410CL3 为 Cr13 系列 的马氏体不锈钢 ,A182 - F6a CL2 为锻钢 ,A479 -410CL3 为棒材 ,主要用于非腐蚀工况 。SY/ T 0599标准规定 :马氏体不锈钢不适宜用作酸性环境中的 阀杆或其他高应力零件 。A638 - 660 钢 为 高 温 用 沉淀硬化铁基超耐热合金 ,由于适当的固溶处理和 沉淀硬化处理 ,使该合金力学性能得到了改善 。在 加氢裂化装置中 ,高温并含硫 (或硫化氢) 腐蚀工况 的阀门 ,需选择 A638 - 660 钢为阀杆 。三种阀杆材 料的化学成分与机械性能详见表 2 和表 3 。另外 制造厂选用阀内件 ( 阀杆 、阀座 、阀瓣) 原则一般不 低于阀体材料 。表 2三种阀杆材料的化学成分%材料CMnSiPSCrNi其他元素Mo :1. 05 . 0 ; Ti :1 . 92 . 3 ;Al 0 . 35 ;V :0 . 51 . 0A638 - 6600. 082 . 001 . 000 . 040 . 0313. 516 . 024 . 027 . 0A182 - F6a CL2A479 - 410CL30. 151 . 001 . 000 . 040 . 0311. 513 . 50 . 5表 3三种阀杆材料的机械性能b/ MPa0. 2/ MPa材料热处理状态, %, %硬度 ( HB)A638 - 660A182 - F6a CL2固溶处理 + 沉淀强化正火 + 回火89558558538015181835248167229 A479 - 410CL3 正火 + 回火900 690 12 35 331 5阀门密封5 . 1密封面材料 Stellite 6 与 Stellite 21Stellite 为钴基合金 ,常用于加氢裂化高温高压 阀门密封面 (阀瓣 、阀座) ,目前国内阀门制造商一般选用 Stellite 6 ,而国外阀门制造商大多选用 Stel2lite 21 。Stellite 6 为 Co - Cr - W 合金 , Stellite 21 为Co - Cr - Mo - Ni 合金 ,两者的化学成分和机械性 能详见 表 4 。Stellite 6 的 硬 度 比 Stellite 21 高 , 但Stellite 21 可进行加工硬化 , HRC 可达到 45 , Stellite21 在 Co 系列中耐冲击性能最强 ,耐腐蚀性比 Stel2 lite 6 优异 。阀门在经过一段时间使用后 ,Stellite 21 密封面较容易在现场焊补 、研磨 ,而 Stellite 6 密封面在焊补 、研磨中容易出现开裂 。另外 Stellite 21密封 面 比 Stellite 6 光 滑 , 开 启 阀 门 所 需 的 扭 矩 要 小 。目前 , 国 外 的 EDWARD 和 PACIFIC 等 公 司 都采用 Stellite 21 作为密封面材料 。第 3 期沈红杰 . 加氢裂化装置高压阀门的特点与选用47 表 4 Stellite 6 与 Stellite 21 化学成分与机械性能化学成分 , %抗拉强度/硬度 ( HRC) 3牌号 Co Cr W C Fe Ni Mo MPa Stellite 6余量28413-G44 ,D37940 Stellite 21 余量27 - 0 . 25 2 2 . 5 5 T25 ,D33 ,M45 820 3 G 为气体焊接 ;D 为电弧焊接 ; T 为 TIG 焊接 ;M 为加工硬化后的硬度5 . 2 压力自密封加氢裂化装置的高压部分阀门在阀盖与阀体 连接处一般采用压力自密封结构 ,通过阀门内流体压力提供阀体和阀盖紧密的密封 。图 1a 是国外阀门制造厂在较早时期采用的组合式压力自密封结构 ,垫片与阀盖 、阀体间是面接触 ,实际使用效果较差 ,存在泄漏问题 。图 1b ,c 是 在上述基础上改进的压力自密封结构 ,通过合理结构设计在密封面处达到线密封 ,提高了垫片在密封 面上比压力 ,改善了密封效果 。图 1 压力自密封结构编织环) 。对于填料函尺寸较小的阀门 ,则仅用柔性石墨编织填料即可 。 填料在装填过程中进行预压缩也是保证良好密封 、尤其是长期良好密封的措施之一 。国内的阀门在填料装填过程中大多数仅限于压实填料 ,故其 密封性随应用时间增长而变差 。国外在加氢裂化 阀 门 产 品 填 料 装 填 过 程 中 , 盘 根 环 在 4500p si(31MPa) 高压下进行逐个预压 ,因此能维持较长时 间的良好密封 。另外 ,一些国外阀门在填料压盖处采用了蝶形 弹簧活载 。柔性石墨填料由于磨损和热烧损等原 因 ,不可避免地会出现应力松弛 。在填料压盖的螺栓上增设碟簧 ,使填料压盖始终作用于填料上较大 的压力 ,从而可防止因压盖螺栓松驰或填料松驰而 造成的外漏 。国外阀门 盘 根 压 盖 一 般 为 分 体 式 , 如 图 2 所 示 ,分为压盖和压圈 。这种结构使压圈自动对中 ,螺栓经压盖 、压圈产生的压力在填料盘根上周向均 匀分布 ,易使填料维持良好密封 。阀杆与填料函表面粗糙度也是影响填料密封 是否泄漏的一个重要因素 。国外阀门制造厂一般 按照 API600 相应要求执行 ,填料函表面粗糙度 Ra目前压力自密封采用金属垫和柔性石墨复合垫两种 。金属垫采用低碳钢整体镀银处理 ,银的塑 性较好 ,容易填充密封面上的微观孔隙 ,从而确保高压下阀盖垫片的密封性能 。在高温强烈腐蚀性介质下 ,金属垫片采用 316 不锈钢表面镀铬 ,但该 类垫片易对和垫片接触的阀体内侧造成磨损 ,因此 一些阀门厂家在 17MPa ( 2500p si ) 阀体内腔与密封垫片接触处堆焊不锈钢内衬 ,防止因磨损阀体造成 泄漏 。为根本解决金属垫对阀体内侧的磨损 ,目前 国外阀门厂一般采用柔性石墨复合垫 。该垫片由 柔性膨胀石墨和 304 不锈钢钢丝组成 ,结合了金属 垫和柔性石墨优点 ,取得很好的密封效果 。国外阀 门 制 造 厂 推 荐 : 一 般 高 压 阀 门 的 垫 片 (包括压力自密封垫片和用螺栓连接的缠绕垫) 在 阀门解体维修后需要更换 。5 . 3 阀门填料函密封2对 DN 50mm 的闸阀和截止阀 ,在阀杆密封处 采用柔性石墨环和柔性石墨编织填料是国外制造厂的普遍做法 。其中填料的最上圈和最下圈采用柔性石墨编织环 ,以利用其强度较高 ( 与模压石墨 环相比) 的特点阻止石墨被挤入阀腔或阀外 ,中间 则采用模压石墨环 (有时也在中间适当的位置增设48 石油化工腐蚀与防护第 21 卷值不应大于 3 . 2 10 - 3mm ,与填料接触的阀杆表面粗糙度 Ra 值不应大于 0 . 8 10 - 3mm 。合面) 的形状精度的微小误差 ,使阀座与阀芯密封面达到最充分的贴合 。阀座采用机械过盈冷压的 方式嵌入阀体 ,不允许用焊接 、螺纹或粘连的方式 安装阀座 。确定阀座与阀体配合时最佳的过盈量 及 2 片式阀座本身相互配合时的过盈量是该阀门技术关键 ,以保证阀座本身的结构强度和安装在阀 体中的安装强度 ,同时又不会因为过盈量过大或温 度升高时导致阀座材料不可恢复的塑性变形 。阀芯密封面具有不小于 1 . 5mm 厚的 HasteollyC - 22 硬质合金堆焊层 ,以提高耐冲刷性能 。阀杆 密封为可调注入式盘根 ,以便在系统不停车的状态下调整盘根压力 ,防止外漏 。阀芯耳轴的底部形状与阀芯密封面和阀座表面在同一圆周表面上 ,这种 设计保证了阀芯压向阀座时各个部位的压力均匀 一致 ,并保证阀芯密封面能够做到同时接触或离开阀座 。由于提升阀杆式单阀座球阀的结构特点 ,在阀 门开启时 ,阀芯上下两端处于自由状态 ,在阀内介 质冲击下 ,易发生阀芯摆动现象 ,这应引起用户和 阀门制造厂注意 。但提升式轨道球阀由于在结构设计等方面的独特经验 ,在加氢裂化装置取得广泛 应用 ,且使用效果较好 ,值得国内阀门制造厂借鉴 其结构特点 。图 2 填料压盖结构图6 提升式轨道球阀结构特点6 . 1 结构原理提升式轨道球阀结构如图 3 所示 。阀芯与阀 座为无摩擦操作 ,开启阀门时阀杆首先提升使阀芯倾斜与阀座脱离接触 ,阀杆继续提升 ,并与阀杆螺 旋槽内的导销相互作用 ,驱动阀芯无摩擦转动达到 开启位置 。关闭阀门时阀杆带动阀芯在不接触阀 座的情况下转动 ,然后阀杆下降压迫阀芯压紧在阀 座上 。7结论(1) 目前 ,国内加氢裂化高压阀门主要是依赖 进口 ,国内阀门制造厂应多与国外阀门制造厂家交 流 ,了解其先进的技术和新产品 ,同时应与用户 、设 计单位及时沟通交流 ,反馈阀门使用情况 ,这样才 能不断改进 、提高国产阀门制造水平 。(2) 针对加氢裂化装置阀门高压 、高温和临氢 特点 ,在阀体材料制造方式 、材料选择 、密封面材料 Stellite 6 与 Stellite 21 区别 、压力自密封问题 、填料 函密封结构 、阀门阀杆材料等设计制造中的具体细 节问题方面 ,应采取合理的结构设计 、制造工艺 、材料选择等措施 ,以提高加氢裂化高压阀门质量 。(3) 提升阀杆式单阀座球阀已在加氢裂化装置 得到了广泛应用 ,其独特的设计值得国内阀门制造 厂借鉴 。图 3 提升式轨道球阀结构6 . 2结构特点材料匹 配 性 设 计 : 在 提 升 阀 杆 式 单 阀 座 球 阀 中 ,由于其特殊的结构 ,如果阀体为碳钢 ,则 316 不锈钢不允许作为阀座和阀芯材料 ,以避免在高温工 况下因为热膨胀系数的差别而导致阀门操作中的机械故障 。另在阀杆导销与阀杆 、阀杆与阀芯销钉 相接触部位也都需具有一定的硬度和材料匹配 。 该阀座为金属材质内嵌软性密封材料 ,或为具有充分弹性的金属密封唇的全金属阀座 。金属密封唇基体采用内外 2 片组合的结构 ,以保证金属密 封唇有足够的弹性 ,补偿阀座密封表面 ( 与阀芯贴参考文献12杨源泉. 阀门设计手册. 机械工业出版社 ,北京 :1992 . 27128岳进才. 高压加氢装置阀门的使用及要求. 阀门 ,2001 ( 3) : 2330第 3 期沈红杰 . 加氢裂化装置高压阀门的特点与选用49 Characteristics and Selection of High - pressure Valve f or HydrocrackersS hen HongjieS hanghai Gaoqiao Petrochemical Company/ S INO PEC ( S hanghai 200137)Abstract A detail discussion is provided on the application characteristics of the high - pressure valves for hydrocrackers , the specific issuesin the design and manufacturing of the valves ( such as the relationship between casting and forging of valve body , material selection , the difference between seal surface Stellite 6 and Stellite 21 , pressurized seal , proper packing construction and material of valve stem ,etc) are studied and the unique construction and requirements of lift ball valve are introduced. The critical points for the selection and quality control of high - pressure valves for hydrocrackers are presented.Key words hydrocrack , high - pressure valve , valve body , valve stem , seal surface(上接第 40 页)Development of a Ne w High - Molecule Inorganic CoagulantHe XiaojiaXian University of A rchitecture & Technology ( Xian , S haanxi 710055) He XinpingL uoyang Petrochemical Complex ( L uoyang , Henan 471012)Abstract The process of production of a new high - molecule inorganic coagulant - compound aluminum - iron silica using calcium silicateas the main raw material is introduced. The production practice proves that proper control of the main reaction temperature is very critical for the production of high - quality polymer alumina while the control of site - reaction direction can produce compound aluminum - iron silica coagulants for different waste waters. Good results have been achieved when the above coagulants have been used in the waste water trea2t ment for power plants and petroleum refineries.Key words polymer alumina , compound aluminum - iron sili