装置工况影响阀门设计的共性因素探讨

姚雪鸣

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

现代工业装置尤其是石油化工装置，种类繁多，工况更是复杂多样，因而对阀门的选材、结构设计、制造、检验等就有不同要求。而阀门设计制造时，经常出现两种情况，要么为保证质量过度设计，要么由于未考虑工况的影响，设计不当而造成阀门失效，内漏、外漏等各种问题频出。因此，对各种装置展开研究，包括炼油、化工、化纤几大类型装置，研究中发现了一些共性问题，例如，炼油装置中氢、硫及各种应力腐蚀等普遍存在；化工装置工况复杂多样，除了腐蚀问题，经常遇到高温、高压、低温、超低温等工况；而化纤装置的共性在于聚合物高黏、易凝的特性。因此，通过对各种装置的工况研究，寻找出某些共性因素，以期在同类型装置阀门设计时加以借鉴。

1 装置的基本分类

现代工业装置种类繁多，为便于分析各类装置工况的共性，将一些典型装置进行归类，分为炼油装置、石油化工装置、石油化纤装置三类，详见表1。

表1 典型装置Table 1 Typical plants

炼油装置是以原油、重质馏分油等为原料进行加工的装置。石油化工装置种类最多，部分石油化工装置的原料来源于炼油装置，是炼油装置的后续装置。而化纤生产装置的原料与石油化工装置密切相关，石油化工装置的产品乙烯、丙烯、丁二烯、苯、甲苯、二甲苯等，均是生产化纤的单体原料。

2 腐蚀对阀门设计的影响

2.1 装置腐蚀共性问题

腐蚀影响阀门选材，而同类型装置往往会存在相似的腐蚀问题，研究发现，炼油装置就存在一些共性的腐蚀问题。

炼油装置是以原油、重质馏分油等为原料进行加工的装置。原油通常按含硫量和酸值分类，原油品质不同，对后续装置的腐蚀影响也不相同。炼油装置的腐蚀具有共性，其常见的腐蚀包括：硫和环烷酸腐蚀、氢腐蚀、湿硫化氢腐蚀、碱应力腐蚀、液氨应力腐蚀、连多硫酸应力腐蚀、晶间腐蚀等。当然，由于不同的工况，各种介质亦会形成更加复杂的组合腐蚀环境，例如：≤120 ℃时，H2S-H2O、HCl-H2SH2O、HCN-H2S-H2O、RNH2（乙醇胺）-CO2-H2S-H2O、CO2-H2S-H2O 的组合腐蚀；240 ～ 500 ℃时，S-H2SRSH（硫醇）、S-H2S-RSH（硫醇）-RCOOH（环烷酸）、H2-H2S 的组合腐蚀等[1]。

石油化工装置中，很多装置的原料来源于炼油装置，是炼油装置的后续装置，因此这些装置存在和炼油装置相似的腐蚀环境。对于这些装置，阀门选材要考虑符合NACE MR0175[2]和NACE MR0103[3]等的相关要求。

2.2 腐蚀对阀门选材的影响

氢和硫是炼油装置中广泛存在的介质，其存在方式因装置不同而不同，因而腐蚀也各不相同。其中氢分子量极小，很容易通过各种密封面的微观空隙逸散，如果渗透到钢材内部，会引起氢脆[4]甚至氢腐蚀。氢脆可以转化成氢腐蚀。下面以氢腐蚀、氢+硫化氢应力腐蚀为例进行阀门选材影响分析。

（1）氢腐蚀对阀门选材的影响分析

当钢材长期与高温、高压的氢气接触时，氢原子或氢分子与钢中的碳化物（渗碳体）发生化学反应生成甲烷（Fe3C+2H2→3Fe+CH4），造成钢材表面及内部脱碳，即为氢腐蚀。内部脱碳时，生成的甲烷气体无法从钢中扩散出去，聚积在晶粒间形成局部高压，造成应力集中，使钢材产生微裂纹或鼓泡等，导致钢材的强度及韧性下降，钢材脆变[4]。

要避免氢腐蚀的发生，阀门设计应按Nelson 曲线[5]进行选材。氢腐蚀与氢分压及温度相关，Nelson曲线正是不同材质的“温度-氢分压”腐蚀经验曲线。在温度高，容易发生氢腐蚀的工况时，选择不锈钢等耐氢腐蚀性能好的材料；而当温度较低，氢分压不高的情况，选择价格较低的碳钢材料。对于碳钢、合金钢阀门，当操作温度≥200 ℃时，按最高操作温度加20 ～ 40 ℃的裕量和氢分压选择材料。

（2）H2+H2S 应力腐蚀对阀门选材的影响分析

应力腐蚀是金属在一定温度条件下，在应力和腐蚀性介质共同作用下所引起的破裂。应力腐蚀现象很复杂，没有应力时，腐蚀裂纹发展缓慢；而一旦应力增加到一定水平以后，金属材料会突然发生破裂，由于破裂前没有明显征兆，容易造成灾难性事故。

应力腐蚀的要素一是存在一定的应力水平，二是“特定材料+特定环境”的应力腐蚀组合。因此，阀门设计首先考虑降低应力水平，通过热处理等方式消除加工残余应力和焊接残余应力，避免局部应力集中；二是避开“材料+环境”的特定应力腐蚀组合。当阀门处于H2+H2S 组合腐蚀工况，操作温度≥250 ℃时，应按Couper 曲线[5]选材，选用耐腐蚀性能好的不锈钢等材料；当温度较低、工况较缓和时，选择能抗H2+H2S 应力腐蚀的碳钢材料，以降低成本。

3 温度和压力对阀门设计的影响

石油化工装置复杂多样，除了腐蚀问题，不少装置有高温、高压、低温、超低温等工况，如乙烯装置中就既有高温工况，又有低温工况。下面分别讨论这些工况对阀门设计的影响。

3.1 低温工况对阀门设计的影响分析

钢材在低温时会发生脆性断裂，称为冷脆[4]。材料的低温冲击韧性与材料的脆性转变温度有关，而某些材料的韧性-脆性转变是在一定的温度范围内发生的。材料的脆性转变温度愈低，材料的低温冲击韧性愈好。因此，低温阀门设计时，要考虑材料的温度下限，选择相应的耐低温材料，避免冷脆。需要注意的是，阀门设计时，还应考虑最低环境温度。

除了选材，低温工况时，阀门还容易出现泄漏、阀门中腔升压事故、保温层下腐蚀等问题，具体分析如下。

（1）外漏。低温下，润滑油凝固，阀门组件难以采用润滑油进行润滑。随着温度的降低，阀杆填料弹性逐渐消失，防漏性能随之下降，介质渗漏会造成填料与阀杆处结冰，影响阀杆正常操作，而阀杆上下移动造成划伤，引起更严重的外漏。因此，对于低温阀门，需采用整体加长阀盖，保证足够长度的填料密封，使填料函底部的温度保持在0 ℃以上，同时提高阀杆光洁度，采用耐磨材料，防止阀杆运动磨损。

（2）内漏。随着温度的下降，原本研磨精度很高、紧密匹配的密封面产生了畸变，尤其是某些软密封材料，造成密封不良，引起内漏。因此，低温阀门设计时，密封副采用钴铬钨硬质合金堆焊的硬密封结构；对于低温蝶阀，采用增强柔性石墨密封。

（3）中腔升压。对于带中腔的阀门（闸阀、球阀等），当用于液化烃类介质时，例如乙烯、丙烯等，高压侧都需开一泄压小孔，以避免阀门关闭时积聚在阀门中腔的液体因温度升高而气化时体积迅速膨胀、压力急剧升高导致事故的发生。

（4）保冷层下腐蚀。对于低温阀门，为了保证阀杆密封，通常采用加长阀盖。由于加长阀盖上部的温度较低，暴露在空气中，空气中的水蒸气遇到低温阀盖会液化成水珠，冷凝水渗入保冷层，往往会造成保冷层下的腐蚀。因此，低温阀门需要增加滴水盘设计，防止外部冷凝水进入保冷层；滴水盘需设置在保冷层外侧，直径超过中法兰直径，以防止凝液滴落至中法兰螺栓、保冷层及阀体上，从而避免保冷层下的腐蚀。

3.2 高温（高压）工况对阀门设计的影响分析

在高温条件下，材料屈服极限、抗拉、抗压强度降低，蠕变和断裂成为多数材料破坏的主要因素。压力与温度密切相关，材料的许用应力随温度升高而降低，温度达到某个值时，许用应力急剧下降。因此材料需要考虑使用温度上限，选择耐高温材料。在考虑材料温度上限时还应结合腐蚀性介质的影响。而热处理方式不正确也会导致材料失效。

阀门的密封基于一系列密封组件紧密匹配，在高温工况下阀门内件容易卡死。由于不同材质零部件的热膨胀系数不同，当高温流体流过阀门时，阀座温度上升很快，阀体限制了阀座的径向膨胀，阀座只能向内膨胀，使得阀瓣、阀座的工作间隙小于常温下标准阀门设计的间隙，造成阀内件卡死。而阀杆与填料密封也会产生类似问题，在高温工况容易发生卡死现象。因此，高温阀门零部件需要有精密的间隙设计及散热设计；采用整体加长阀盖，保证填料的密封性能，采用硬密封阀芯，密封表面做硬化处理，增加耐磨性能。采用Y 型结构的截止阀在性能上比90°阀杆密封结构的截止阀性能更好。

4 介质特性对阀门设计的影响

介质特性是所有装置中阀门设计都需要考虑的问题，对于剧毒、易燃易爆等危险性介质，阀门设计时需要充分考虑其安全性能，一旦这些介质泄漏，可能引起火灾、爆炸、污染环境甚至人员伤亡事故。因此阀门设计需要相应提高密封等级，内漏按ISO 5208[6]的要求，外漏按ISO 15848[7]的要求。

此外，有些介质由于其特殊性质，对阀门的设计有不同的要求。例如氧气阀门，氧气为助燃气体，设计时要考虑防止静电引起火花。因此，阀门设计除了考虑温度、压力的影响，还要考虑流速的影响。高流速引起摩擦，碎屑、油脂等都可能导致火花。因此，氧气阀门一般采用全通径设计，操作状态为全开或全关，压差不能过大，使流动稳定；垫片和填料采用带内环的聚四氟乙烯缠绕式垫片，避免碎屑；阀门进行脱脂处理。

不同介质相态（气态、液态、固态和两相流等）对阀门设计的影响不容忽视。当介质中含有固体颗粒，会加速磨损，因而需要考虑阀门材料的耐磨性能；阀门型式上，如果为粒料系统，采用气力输送或者重力流输送，压力较低，密封要求不高的，可以采用刀闸阀。

研究发现，浆料系统是很多化纤生产装置的特色之一，很多化纤装置都有浆料系统。化纤生产装置通常分为原料生产、聚合、纺丝、纤维加工四个系统。在聚合过程中，熔体管道（浆料管道）黏度较大，易凝易堵。因此浆料阀门的设计，要保证流道通畅，并使流体流动没有死角。一般要采用通径，阀型常采用柱塞型特殊阀门。

图1 是典型的柱塞阀，上进侧出。当阀门关闭时，柱塞阀芯上升，阀芯顶端与设备或管道内壁齐平，这样就能保证当阀门关闭时，设备或管道内的介质流动是通畅的，而不会停留积聚在阀门入口的位置。

图1 柱塞阀Fig.1 Piston valve

图2 是典型的焊接式多通道熔体夹套阀门，物料从上面进入，出口是2 开2 备（关闭），4 个出口的柱塞阀芯都是在阀门关闭时与阀门内壁侧面齐平的特殊设计，从而避免流动死角导致物料积聚凝结。

图2 典型焊接式多通道熔体夹套阀门Fig.2 Typical welded multi-channel melt jacket valve

熔体管道系统常需要采用夹套伴热，阀门设计时为了保证温度，亦常采用夹套阀门。伴热系统的热媒常采用热油，热油有毒性，易渗漏，容易积聚在保温材料中，易自燃而发生火灾，因此阀门设计通常按低泄漏进行设计，大多采用波纹管密封。

当然，除了化纤装置，某些化工装置也有类似的工况。

5 特殊工况对阀门设计的影响

虽然各类装置有一些共性，但每个装置也有一些特殊工况，而这些特殊工况在各种类型的装置中都可能存在。

（1）循环工况对阀门设计的影响

循环工况包括温度循环和压力循环等，剧烈循环工况[8]更容易导致阀门疲劳损坏。阀门设计时应降低材料的许用应力，并进行疲劳分析，避免阀门提前失效。

（2）振动工况对阀门设计的影响

有压缩机或者往复泵时，连接的管线往往出现振动。阀门设计应避开管系的固有频率，避免与管系产生共振。阀门设计需采取适当的防振措施，比如采用全通径设计，螺栓配置防松垫圈。

（3）真空工况对阀门设计的影响

真空工况下如果阀门泄漏，将使系统无法维持应有的真空度。阀杆处密封失效将导致外部空气进入管道系统，因此阀门应采用低泄漏填料设计，阀杆应选耐磨性能好的材料，阀门型式上宜选用密封性能好的软密封球阀等。

6 典型案例

乙烯装置是石油化工装置中的典型装置。乙烯装置通常以轻柴油为原料，采用高温裂解和深冷分离工艺，生产纯乙烯、纯丙烯、混合C4 等产品。装置大致可分为裂解系统、压缩及干燥系统、乙烯分离系统和丙烯分离系统。以下为乙烯装置典型阀门应用工况分析。

从腐蚀方面看，由于乙烯原料来自炼油装置，有炼油装置常见的腐蚀工况。裂解系统中，裂解气含乙烯、丙烯、氢气、硫化氢等介质，因此，按Nelson 曲线和Copper 曲线，550 ℃的裂解气，阀门材料选用了CF8C 耐高温不锈钢；450 ℃裂解气，阀门材料选用了A217 WC6 合金钢。压缩及干燥系统，是含有裂解气的碱洗系统，含有硫化氢、二氧化碳以及氯离子等腐蚀性介质，根据硫化氢浓度、二氧化碳浓度、氯离子含量等，阀门材料采用耐腐蚀性能较好的316L[9]。

从温度方面看，乙烯分离系统为低温系统，脱乙烷塔系统温度至-52 ℃；脱甲烷塔系统温度至-110 ℃；脱氢系统温度至-165 ℃；因此，以上系统中阀门材料选用了耐低温的304L 不锈钢；而丙烯分离系统温度至-46 ℃，就可选用LCB 低温碳钢。对于这些低温阀门的承压部件分别按-196 ℃和-46 ℃做低温冲击试验。阀门设计时，采用钴铬钨硬质合金堆焊的硬密封结构；其中低温蝶阀，采用增强柔性石墨密封。闸阀和球阀需在高压侧开一泄压小孔，防止阀门关闭时中腔积聚的物料气化导致升压引发事故。

过热蒸汽系统为高温系统，温度约545 ℃，13 MPa，CL2500，因此阀门选用了耐高温高压的F91、C12A 合金钢材料，阀门设计时要考虑密封副的间隙设计，截止阀采用Y 型截止阀。

从介质方面看，乙烯裂解气含乙烯（甲类可燃气体、甲A 类可燃液体）、丙烯（甲类可燃气体、甲A 类可燃液体）、氢气（甲类可燃气体）[5]等危险性介质，因此阀门设计需要相应提高密封等级，内漏要求按ISO 5208，外漏要求按ISO 15848。

7 结束语

综上所述，阀门设计与介质特性、设计温度、压力、腐蚀环境、是否振动、是否有循环工况等密切相关，而各种类型的装置又有一些共性特点，在阀门设计时，这些共性可以借鉴。对于炼油装置，氢、湿硫化氢、碱应力腐蚀、液氨应力腐蚀、连多硫酸应力腐蚀等普遍存在，阀门选材要考虑符合NACE MR0175 和NACE MR0103 等的要求；化工装置工况复杂多样，除了腐蚀问题，要考虑高温、高压、低温、超低温等工况对阀门的影响；而化纤装置在阀门设计时要考虑聚合物高黏、易凝的特性。当然，一套装置中的阀门设计仅考虑共性问题是远远不够的，阀门应根据具体应用环境进行设计，以保证阀门长期安全稳定运行，同时兼顾经济合理性。