炼油装置仪表测量管路用阀门种类的选用

杨 刚

(中国石化工程建设公司仪表自控室,北京 100011)

炼油装置仪表测量管路用阀门种类的选用

杨 刚

(中国石化工程建设公司仪表自控室,北京 100011)

阀门是仪表测量管路中最关键的组成部分,其性能直接影响到整个测量管路系统的可靠性。由于工艺介质的温度、压力和物理化学性质上的差异,以及阀门在测量管路中所处的位置不同,对于阀门的性能和使用要求有很大区别。加工高硫和高含酸原油炼油装置的长周期安全运行以及装置的大型化,对仪表测量管路的设计提出更高的要求。设计人员应充分了解各种类型阀门的功能特点,针对不同的应用场合进行选用,重点介绍了仪表测量管路中阀门的类型和选用。

测量管路;阀门;结构特点;阀门选用

0 引 言

在仪表测量管路中,阀门是保证仪表可靠测量的最重要部件,也是操作频繁、故障率最高的部件。以往为了设计的简便和减少仪表材料的种类,测量管路中仪表阀门的选择种类比较单一,基本以截止阀为主。随着石油炼制工业的迅速发展和进步,加工高硫和高含酸原油炼油装置的长周期安全运行以及装置的大型化,对仪表测量管路的设计提出了严格的要求。由于截止阀的结构特点决定了其应用的局限性,因此如何针对不同的应用场合选用适宜的阀门是仪表工程师越来越关注的问题。所用阀门的结构是否合适,直接关系到仪表测量管路的安全运行和仪表测量的精度,经济是否合理,也影响着建设投资和运行费用。该文重点对测量管路中阀门种类的选用进行探讨。

1 阀门的种类及特点

目前炼油装置中常用的仪表测量阀门种类有截止阀、闸阀、球阀和止回阀等。

1.1 截止阀

1.1.1 结构形式

截止阀是阀芯由阀杆带动沿阀座轴线做升降运动的阀门。截止阀按结构形式不同又分为直通形阀、直流形(Y形)阀、针形阀和仪表阀组,如图1所示。

图1 截止阀结构形式

a)图1a)所示的直通形(T形)阀是截止阀中最常用的结构形式,介质的进出口通道在同一水平方位上,其流道结构导致流体通过阀门时压力降较大。

b)图1b)所示的直流形(Y形)阀的阀座和阀芯中心线与阀体水平中心线呈45°夹角,其介质流向为从阀芯下方进入,当阀芯开启后,介质几乎沿着阀门通道的水平线方向流出,故称之为直流式。

c)图1c)所示的针形阀结构与 T形截止阀相似,不同的是阀芯为锥形针状,阀杆通常用细螺纹以取得微量调节效果。

d)图1d)为仪表阀组的局部剖图,仪表阀组实际上是多个互通的T形截止阀或针形阀的组合,按照组成阀门的数量不同分为两阀组、三阀组和五阀组。

1.1.2 特点及应用

截止阀可以改变流体通道的截面积,即可用于截断也可用于节流和调节压力或流量,是仪表测量管路中最常用的阀门。截止阀是强制密封阀门,阀门关闭时必须使阀芯压紧阀座。阀门关闭时需要克服的阻力是阀杆和填料的摩擦力以及介质压力在阀杆截面上的推力,由于密封力和介质压力在同一轴线上,所需的密封力较大,密封容易泄漏,启闭行程长,较为困难。

a)T形截止阀结构简单,启闭时间短,但流道复杂,阀门通径相对较小,密封面间容易夹住介质中的固体颗粒。

b)Y形截止阀的流体阻力较小,适用于含固体颗粒或黏度大的流体。Y形截止阀的启闭行程更长,制造、维修、安装和操作复杂,造价也比较高,一般用于高压场合。

c)针形阀可以作为精确的流量限制用,但流通能力很小,容易堵塞,一般用于测量管路截止、分支、终端等场合,也用于分析仪采样系统等需要微量调节、工艺介质洁净的场合。

d)仪表阀组结构紧凑,操作方便,一般与现场仪表直接安装在一起,可以减少安装空间和中间管件的数量,有很好的密封性和调节性。但仪表阀组结构比较单一,多采用针形阀芯和螺纹阀盖,这种结构不应直接用于黏稠、脏污、高危害介质以及温度变化频繁等苛刻工况[1]。

1.2 闸 阀

1.2.1 结构形式

闸阀是指闸板由阀杆带动,沿阀座密封面做升降运动的阀门。按闸板形式不同又分为楔式闸板阀和平行式闸板阀,如图2所示。

图2a)所示的楔式闸板密封面与闸板垂直中心成一定倾角,称为楔半角。楔式闸板又分为楔式单闸板和楔式双闸板。

图2b)所示的平行式闸板的两个密封面平行,阀座密封面垂直于管道中心线。平行闸板中间有一对楔形嵌块。平行闸板又分为平行式单闸板和平行式双闸板。

图2 闸阀的结构形式

1.2.2 特点及应用

楔形闸阀密封性能较差、行程省力、通道简单、流通面积大、流体阻力小,但尺寸大、结构复杂、加工困难、密封面易磨损、容易泄漏、不易维修、启闭时间长。尤其在高压场合,在流体推力的作用下,闸板与阀座的摩擦力非常大,阀门开启困难,密封面磨损情况也比较严重。闸阀一般适用于全开或全闭,不能作调节和节流使用。

楔形闸板闸阀靠楔形挤压密封,在流体压力不高时也能达到一定的密封效果。但楔形闸阀在高温场合由于热膨胀等原因,容易出现闸板与阀座卡紧,难以开启的情况。

由于平行单闸板阀自身无法达到强制密封,目前已很少使用。平行双闸板阀靠平板间楔形嵌块外推密封,密封效果很好。由于楔形嵌块与平行双闸板间的动配合作用,可以实现关闭严密、开启省力。由于平行双闸板阀在关闭和开启过程中,与阀座直接开合,没有相互摩擦,可以达到很好的密封效果,使用寿命较长。

1.3 球 阀

1.3.1 结构形式

球阀的启闭件为一球体,围绕阀体的垂直中心线做旋转运动。按阀体结构分为两片式、三片式、顶装式;按装配形式分为螺纹装配、法兰装配;按阀芯结构形式分为浮动球阀和固定球阀,如图3所示;按照阀座密封材料分为硬密封(金属密封)球阀和软密封球阀等多种类型。

如图3a)所示,浮动球的球体是可浮动的,在介质压力的作用下球体被压紧到出口侧的密封圈上。

如图3b)所示,固定球的球体被上下两端的轴承固定,通过能产生推力的浮动阀座,使密封圈压紧在球体上。

图3 球阀的阀芯结构形式

1.3.2 特点及应用

球阀有操作简便、启闭迅速、密封性好、可自清洗、阀位标示明显等优点,近年来得到了越来越广泛的应用,并有逐步取代闸阀和截止阀的趋势。浮动球的结构简单,一般为单侧密封,密封效果好,但启闭力矩大[2]。固定球启闭省力,但结构复杂,外形尺寸大,造价昂贵,一般只用于高压大口径场合。在仪表测量管路中一般多采用浮动球阀。

软密封球阀的阀座密封材料主要采用聚四氟乙烯、石墨、混合材料等,阀门的工作温度与密封材料有关,不能太高。同时软密封球阀一般应采取防静电措施[3],在易燃、易爆介质的场合使用时还应采取防(耐)火结构[4]。由于阀门制造技术的不断进步,硬密封球阀已经可以做到严密密封,适用于高温、高压、腐蚀性介质及含有固体颗粒等多种苛刻工况,因此,在仪表测量管路设计中,很多用户喜欢采用硬密封球阀。

1.3.3 主要故障原因及解决方案

近期一些炼油装置在运行过程中,部分球阀出现了卡死、内漏等现象,使得一些用户对使用球阀产生了疑虑。由于硬密封球阀的加工制造质量要求比较高,因而球阀在使用过程中出现故障的原因多是产品质量和施工过程不当引起的。

a)加工精度不高。对于球阀来说,要求球体与阀座有正确的几何形状、良好的吻合程度和较高的表面光洁度,球体的表面粗糙度值应不大于Ra0.4[5]。如果球体表面光洁度不够就会引起球体与密封圈的摩擦力过大,造成启闭困难,尤其在蒸汽、高温气体等工艺介质无法起到对球体润滑作用的场合,这种现象非常普遍。球体几何形状加工精度不够会造成球体与密封圈之间的间隙,出现阀门内漏的情况。

b)弹簧预紧力设置不当。为了保证球阀在低压场合也有足够的密封性,球阀在出厂前应调节预紧弹簧使球体与密封圈之间产生一定的密封压。初始的密封压如果设置过大,当阀门关闭时在介质压力的共同作用下,阀门的操作会较困难;而初始密封压设置过小,在介质压力不能提供足够的推力时,又无法保证阀门的密封性。

c)焊接方式不当。对焊接连接方式的球阀,在施工焊接尤其是焊后热处理过程中,阀体的受热面积不能过大,必要时应采取局部降温措施。由于仪表阀门尺寸较小,阀内件与焊口距离很短,焊接时温度过高会导致阀体和阀座变形,从而引起阀座与阀体、阀座与球体吻合不好出现泄漏。情况严重时甚至会出现弹簧变形、密封填料炭化、密封圈断裂等现象。

虽然硬密封球阀性能优良、使用温度高、耐用,但高精度的硬密封球阀制造成本较高。软密封球阀密封性能好、操作省力、制造成本较低。因此在选用过程中应综合考虑介质情况、使用条件、建设投资等因素。

为了减少由于施工过程中焊接不当造成阀门损坏的情况,除了要规范和监督施工过程外,也可根据工艺和现场安装条件适当采用法兰或螺纹连接方式的球阀,或者选用长阀体型或者连接端部带短管的焊接球阀[4]。

1.4 止回阀

止回阀又称单向阀,其作用是防止管道介质倒流。止回阀属于自动类阀门,其启闭动作由介质自身能量驱动。止回阀按结构形式不同分为升降式和旋启式。

升降式止回阀的阀体和阀芯与截止阀相似,但其阀芯的上部和阀盖下部加工有导向套筒,阀芯导向筒可以在阀盖导向筒内自由升降。升降式止回阀可分为直通式和立式两种。旋启式的阀芯成圆盘状,绕阀座通道的转轴做旋转运动。

升降式较旋启式密封性好,流体阻力大,直通式安装在水平管道上,立式安装在垂直管道上。旋启式止回阀的安装位置不受限制,可装在水平、垂直或倾斜的管线上。但旋启式止回阀不宜制成小口径阀门,在仪表测量管路中很少使用。

2 阀门的设计选用

2.1 仪表测量管路阀门的应用特点

一种采用自动冲灌隔离液系统的差压流量变送器的测量管路方案如图4所示。

图4 典型仪表测量管路方案

在整个测量管路中设置了多个阀门,每个阀门的用途和工况也不尽相同。阀门的设计和选用除了根据管道级别、设计温度、设计压力和介质的(腐蚀)性质等设计条件,以及阀门的固有性能和经济合理性等因素进行统筹考虑外,还要考虑阀门在仪表测量管路中的应用特点。仪表测量管路与工艺管道最大的不同是仪表正常运行时整个测量管路中介质处于静态(连续冲洗和反吹[6]方案等除外)。因此,阀门的选用无需考虑流体对阀芯的冲蚀,多数情况下阀门只是起到切断和接通作用。

2.2 阀门种类的设计选用

以取源一次阀的选用为例。如图4所示,取源一次阀位于仪表测量管路的根部,其主要作用是接通和切断仪表测量管路与工艺管道的联系。由于一次阀与工艺介质直接接触,在整个测量管路中所处的工况最苛刻,位置也最为关键,一旦阀门出现故障,很难在线维修和更换。

在炼油装置中多数工艺介质中都难免会带有少量固体颗粒,这些固体颗粒随着时间的推移会慢慢在测量管路中聚集。由于仪表测量管路中的工艺介质处于静态,除非采用冲洗或反吹方案,否则取源管嘴和一次阀中的固体颗粒很难被带走。为了避免一次阀前出现堵塞以及密封面夹住固体颗粒造成阀门内漏的情况,一般在低压场合选用平行双闸板阀作为仪表的取源一次阀,不推荐采用 T形截止阀,而在高压场合宜采用 Y形截止阀。

球阀从结构和功能特点上看,与闸阀和截止阀相比更适合作为仪表的取源一次阀,可在投资条件允许,产品和施工质量能够得到充分保证的情况下选用硬密封浮动球阀。

2.3 放空及排凝阀

图4所示的放空及排凝阀主要用于释放测量管路中的压力,同时将测量管路中的介质排放到低压系统(如:大气、污油罐等)中去。

放空阀和排凝阀都位于测量管路的末端,相对而言工艺介质温度较低,工况也比较简单,但对阀门的密封性要求较高。

由于在测量管路放空和排凝时需要控制排放的速度,因此不宜采用闸阀,一般可根据实际情况选用浮动球阀或T形截止阀。

2.4 仪表阀

仪表阀也称为二次阀,如图4所示,位于现场仪表的前端,用于接通和切断仪表与测量管路的联系。出于对仪表的保护考虑,在高温、腐蚀性、黏稠以及含有固体颗粒等介质的场合使用仪表阀之前都要采取降温和隔离措施,因此仪表阀的工作条件在整个测量管路中是最好的。

仪表阀在使用时一般保持较小的开度,以防止现场出现仪表接液部件(如压力表弹簧管)损坏时,工艺介质泄漏量过大的情况发生。考虑到安装和使用方便,仪表阀外形尺寸也应尽量小,因此一般采用阀组。但对于极度危害的有毒性介质的场合[4]等苛刻工况,在无法采取有效的隔离措施时,应选用螺栓连接阀盖的截止阀。

2.5 止回阀

图4所示的止回阀一般用于自动冲灌隔离液系统或冲洗油系统中,防止系统压力不足时工艺介质的倒流。在异常工况下(如冲洗油压力低于工艺介质压力时),止回阀是测量管路中隔离液或冲洗油与工艺介质的分界线。

仪表测量管路现场施工时受很多外部条件的限制,在设计阶段很难确定止回阀安装在垂直管线上还是水平管线上。因此一般选择带弹簧返回机构的立式升降式止回阀,这样可以确保无论止回阀采用何种安装方式都可以正常工作。

2.6 隔离及冲洗阀

图4所示的隔离及冲洗阀用于接通和切断隔离液和冲洗油系统与测量管路的联系,同时还用来控制隔离液和冲洗油的压力和流量。考虑到闸阀不适合用于节流[7],因此一般情况下可根据隔离介质特性选择T形截止阀或针形阀。

3 结束语

由于各种阀门结构形式的不同,其用途和适用场合也有所不同。因此在仪表测量管路阀门的设计选用中,应根据不同的应用场合选择合适的阀门类型,不但要保证仪表的测量精度,实现施工和安装的规范化,节省基建投资,同时还应充分考虑阀门的密封性、可靠性和使用寿命,确保装置的长周期安全生产。

[1] 国家和发展改革委员会.SH/T 3064-2003石油化工钢制通用阀门选用、检验及验收[S].2003:2-3.

[2] 张德姜,赵 勇.石油化工工艺管道设计与安装[M].北京:中国石化出版社,2002:162.

[3] American Petroleum Institute.ANSI/API SPECIFICATION 6D TWENTY-THIRD EDITION,APRIL 2008 Specification for Pipeline Valves[S].2008:45.

[4] 中华人民共和国建设部.GB 50316-2000工业金属管道设计规范[S].2000.

[5] 陆培文,孙晓霞,杨炯良.阀门选用手册[M].2版.北京:机械工业出版社,2009:335.

[6] 陈洪全,岳 智.仪表工程施工手册[M].北京:化工工业出版社,2005:601-603.

[7] 于浦义,张德姜,唐永进.石油化工压力管道设计手册[M].北京:化工工业出版社,2007:607.

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B

1007-7324(2010)06-0061-04

2010-06-08。

杨 刚(1972—),男,四川达县人,1993年毕业于北京工商大学工业电气自动化专业,工学学士,现在中国石化工程建设公司仪表室从事石油化工自动化工程设计工作,任高级工程师。