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浙江沧海阀门科技股份有限公司主营:平衡式节流截止阀,卡箍阀,平板闸阀,高温高压阀,塑料阀门
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技术文章
高压平板闸阀在加氢装置中的使用工况分析
2015-08-18
加氢装置中使用的高压闸阀,主要功能为紧急切断和紧急放空。紧急切断的介质为原料油、高低分液、高低分气;紧急放空的介质为高分气。

高压加氢装置是石油工业深加工的一种重要手段,通过加氢工艺,不但可以提高轻油回收率,而且能够提高燃料油的质量,从而提高炼油厂的整体效益。 

根据原料油的不同,加氢工艺分为汽油加氢、柴油加氢、煤油加氢、渣油加氢等。由于介质的特殊性,加氢工艺一般具有高压和临氢状态,并且伴随有硫化氢气体的产生,不仅操作压力很高(一般在15~20MPa),而且介质为氢气,易燃易爆。高压氢气具有很大的能量,一旦阀门出现问题,将产生不可挽回的损失,甚至导致重大事故的发生。
1 高压闸阀使用工况分析
加氢装置中使用的高压闸阀,主要功能为紧急切断和紧急放空。紧急切断的介质为原料油、高低分液、高低分气;紧急放空的介质为高分气。原料油或高低分液都含有大量的氢气和硫化氢气体,压力为6.2~17.2MPa左右,有时会伴随着高温。因为需要紧急处理,所以要求闸阀动作速度非常快,在10s以内,而且要求实现零泄漏。
目前这类阀门主要依赖进口,一方面是由于位置重要,一般不敢尝试使用国内产品;另一方面是国内很少有厂家能够提供与国外产品性能相当的产品,包括材料选择,加工制造,结构设计等。
2 阀门结构选择原则
该公司参照国外的做法,采用气动闸阀的结构。国内闸阀大体有两种结构:楔形和平板闸阀,表1针对每种结构的具体特点进行分析,以选择*理想的闸阀结构。

表1 楔形和平板闸阀的比较

  根据这四种闸阀的结构特点和加氢装置的实际工况,该公司采用双平板闸阀结构,阀体阀盖采用自密封结构,可以满足零泄漏、动作速度快、耐高温高压等要求。下面针对以上四种结构特点具体分析选择平板闸阀的原因。
3 各种闸阀具体结构特点
3.1 常压楔形闸阀(垫圈密封型阀盖)
常压楔形闸阀(垫圈密封型阀盖)的结构如图1所示。


图1 楔形闸阀(垫圈密封型阀盖)


执行机构的力作用在阀板上与阀座产生密封比压,从而达到密封效果。阀盖与阀体靠垫圈密封,密封压力不大于4.1MPa,可设计上密封结构。当温度高于400℃时,由于阀板的膨胀导致阀杆的向上膨胀,此时需要选择气动执行机构;如果选择电动执行机构,则阀杆很容易出现弯曲或动作不良现象。
在高温、长期关闭状态下,阀打开时容易出现卡死现象,这是由于内外膨胀的不均匀性所致。该阀不可应用于危险性介质,如氢气等,当快速关闭时阀板对阀座会产生*的冲击力,容易产生火花而出现危险状况。
3.2 楔形闸阀(自密封型阀盖)
楔形闸阀(自密封型阀盖)的结构如图2所示。


图2 楔形闸阀(自密封型阀盖)


自密封结构可承受6.2MPa以上的压力,采用上密封结构,其他特点和楔形闸阀(垫圈密封型阀盖)相同。
3.3 平板闸阀(楔形转平行)
平板闸阀(楔形转平行)的结构如图3所示。
执行机构推动右侧阀板通过楔形面,从而使平行阀板与阀座产生密封比压,达到密封效果。可做成上密封结构和自密封阀盖结构,以承受更高压力。但是阀门在关闭时不能承受高温,也不能长期在高温下关闭,这一点与楔形闸阀相同。


图3 平板闸阀(楔形转平行)


3.4 平板闸阀(绝对平板闸阀)
平板闸阀(绝对平板闸阀)的结构如图4所示。
依靠介质压力推动前阀板,压缩后阀板,后阀板与阀座产生密封比压,达到严密关断效果。阀前压力越大,密封效果越好,特别适用于高温高压场合。因为该阀关闭时阀前与型腔贯通,所以可长期高温关闭。此外,该阀没有冲击密封力,可用于危险介质开关,动作平稳。因为阀板可上下自由膨胀,所以可配置电动执行机构,不会出现卡死现象;该结构已经获得发明专利。


图4 绝对平板闸阀


4 阀体及阀内件材料的选择及制造
因为介质基本上为氢气或含氢介质,同时也伴随硫化氢气体,所以所有材料的选择应特别慎重,必须符合NACE MR0175抗硫化物腐蚀材料标准中的规定,特别是与介质接触的零部件。
对于加氢装置中介质的特点,笔者认为采用锻造的阀体结构*合理。铸造结构的阀体,一方面其铸造壁厚余量不大,另一方面容易出现铸造缺陷,如金属夹杂、气孔、裂纹等缺陷,导致氢气的积聚,诱发裂纹,同时也容易出现氢脆现象;在高温情况下还容易出现脱碳现象,从而加速氢腐蚀的进程。另外,大壁厚的铸造在国内还不成熟,很难避免出现以上问题。因此,笔者采用锻造方式。
除了采用锻造结构外,应该对有害的金属元素S,P进行控制,将其质量分数控制在0.02%以内,*大质量分数只能放宽到0.03%;非金属夹杂物要求不高于2.5级;晶粒度:碳钢与合金钢不低于5级,不锈钢不低于8级,厚度大于100mm时不低于6级。
除了对承压件的材料控制外,对生产过程中的氯离子也应该严格控制,尤其是填料和产品试压时,氯离子质量分数应小于5×10-5,应采用氮氢混合气进行试压。即使采用水压进行试验,也一定要控制水中的氯离子,使其质量分数合格后方可进行。
所有的材料及焊接部位,都要严格进行UT探伤,探伤合格级别为I级。
阀门选择的主要材料有A105碳钢,304,316,321,347不锈钢等。其中阀板、阀座、自密封部分选用硬质司太立合金材料,堆焊材料牌号分别为STL12,STL6,STL21,从而确保了不同零件的硬度使用要求,而且所有的堆焊层厚度不得小于2mm。经过以上的材料控制和生产控制,完全能够满足加氢装置的要求。
5 结束语
加氢装置使用的紧急切断和紧急放空闸阀,应根据不同的工况进行选择,不可盲目地选择闸阀结构。如在高温高压的情况下,不可选择楔形闸阀,只能选择平板闸阀结构。同时,在高温高压下选择执行机构时,也需要注意高温膨胀性,*好选择气动执行机构来进行高温膨胀补偿。若一定要选择电动执行机构,则必须选择平板闸阀结构。
该公司研发的平板闸阀广泛应用在加氢装置、电厂蒸汽系统、高压乙烯、合成氨等紧急切断和紧急放空的安全保护系统中,使用效果非常好;阀门经第三方机构进行了动作寿命试验,满足10万次后仍达到零泄漏的目标。同时该阀门的使用,改善了平行高温高压闸阀长期以来依赖进口的局面。

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