丁强伟,刘兴玉,李 成,张新奇,李光辉
(1.中国船舶集团有限公司第七二五研究所,河南 洛阳 471000;2.海南逸盛石化有限公司,海南 儋州 578101)
近年来,得益于石化行业生产技术的不断进步及PTA产业链的发展需求,新建及扩建的PTA装置不断增加,PTA装置规模日趋大型化[1]。PTA装置中钛合金阀门属于高端阀门,该类阀门一般安装在生产工艺流程前端、氧化反应器附近,介质为250℃左右的醋酸、氢溴酸和工艺浆料等,含粉状颗粒,应用工况十分苛刻。PTA装置用大口径钛合金截止阀口径一般为6~14寸,压力150 lb、300 lb,一般应用于限流场合,要求其具备耐磨、耐腐蚀、耐高温、长寿命、低逸散和启闭灵活等性能。由于工况苛刻、产品材质特殊、口径大和技术含量高,设计、选材和工艺等具备其自身特点,长期以来一直依赖进口。近年来随着我国国产化、自主可控大环境影响,该类阀门国产化研制及供货已十分迫切,基于此研制设计适用于PTA工况的大口径钛合金截止阀。
目前国际上暂无系统性地介绍钛合金阀门的设计标准,如涉及到压力-温度基准、最小壁厚取值等内容,国内关于钛合金截止阀的相关标准多来自于船舶行业,一般设计压力不大于4.0 MPa,公称通径小于DN150,且过流介质均为正常工况海水,与PTA高温、大口径和强腐蚀性工况不同。我国PTA行业钛合金阀门的设计、制造和试验一般参照美标钢制阀门执行,个别参照英国标准、德国标准[2]。
大口径钛合金截止阀的结构设计标准主要参照:ASME B16.34—2007《法兰、螺纹和焊连接的阀门》、API STD 623《钢制截止阀-法兰连接和对焊端螺栓连接阀盖》、BS 1873:1975《石油、石化及相关工业用法兰端和对焊端钢制截止阀和截止止回阀》、MSS SP-42-1999《法兰端和对焊端耐腐蚀的闸阀、截止阀、角阀和止回阀150磅级》、GB/T 12235—2007《石油、石化及相关工业用钢制截止阀和升降式止回阀》。结构长度标准和法兰标准一般按以下标准执行:ASME B16.10—2007《阀门结构长度》、ASME B16.5《管法兰和法兰管件的解读》。检验和试验标准一般按以下标准执行:API 598《阀门的检查与试验》、API 624《带FE石墨填料升降杆阀门的型式测试》。
钛合金大口径截止阀如图1所示,主要由阀体、阀瓣、阀杆、阀盖、阀杆螺母和手轮等零件组成。本阀靠旋转手轮,作用于阀杆螺母,使阀杆升降而带动阀瓣作垂直于流体的直线位移来达到启闭目的,采用一体式主密封阀座及阀盖上密封设计,采用锥面密封结构,密封比压大,操作扭矩小;采用低逸散组合式填料结构,阀门具有优良的低逸散密封特性;本阀门关闭时手轮按顺时针方向旋转,可采用撞击式手轮或伞形锥齿轮箱操作。
图1 钛合金大口径截止阀
PTA用大口径钛合金截止阀的工艺介质一般是含醋酸工艺浆料、HBr催化剂和碱等,具有极强的腐蚀性,温度可达250℃,钛材除了满足ASTM规范外,一般要求低铁低氢,同时钛材锻件的屈强比应小于85%,选材一般需综合考虑应用工况、材料强度刚度、工艺成型性、密封副及摩擦副材料配合等。综上,一般选材如下。
阀体、阀盖:ASTM B367 C-2。
阀杆、阀瓣:ASTM B348 F5。
阀杆螺母:ASTM B148 C95500。
填料组:组合石墨(编结石墨+柔性石墨)。
中法兰垫片:柔性石墨夹钛丝。
大口径截止阀在阀杆上装有导向块,阀门启闭时,导向块沿着阀盖支架上的筋板做升降运动,保证阀瓣密封面在启闭瞬间不会发生旋转摩擦,从而延长阀门使用寿命。根据应用现场调研,若采用旋转升降式阀杆结构,阀瓣一旦出现卡滞,操作不当、阀瓣剧烈旋转摩擦阀座密封面,受力不均会使阀瓣与阀瓣盖之间的焊点破坏,长此以往出现阀瓣脱落的现象,严重影响截止阀使用寿命及系统运行安全。另一方面,阀杆只做升降运动,可减小阀杆对填料的磨损,从而保证填料函处的密封。同时,大口径钛合金截止阀阀杆轴向力一般都较大,为了减小操作力矩,一般在阀杆螺母上均需要安装推力球轴承[3],如图2所示。
图2 推力轴承安装位置
PTA及大部分石化行业用截止阀为保证良好的密封性能,多采用锥面密封结构(即阀瓣锥度β与阀座锥度α相等,如图3所示)。事实上,零件加工过程始终存在加工误差(如同轴度、圆柱度和倾斜度等),其密封效果十分不理想。参考国内外文献样本,密封面采用线接触密封(即阀瓣锥度β与阀座锥度α存在一个角度差,关闭时阀瓣密封面与固定的阀座锥面呈相切状态)。实际使用密封效果优于面对面密封,且密封副选材阀瓣为钛合金,阀座为工业纯钛,两者存在本质硬度差,密封效果更加可靠。同时,可采用气相沉积、渗氮等技术进行硬化处理使锥形阀瓣密封面致密坚硬,以提高密封面的抗汽蚀性、耐磨性和使用寿命[4]。
图3 锥面密封副形式
大口径截止阀阀杆行程长、阀瓣体积及重量大,高压差、高流速工况下阀瓣所受的介质冲击力巨大,一般需要设计导向机构来保证阀瓣密封面和阀座密封面的紧密贴合,否则在极端工况下,阀杆可能出现弯曲、偏移等,进而造成密封失效或者阀瓣卡滞等情况。现有截止阀设计标准中,API STD 623中指出当压力大于等于900 lb时,阀瓣的导向需由非阀杆方式实现,GB/T 12235—2007中指出阀瓣必须有可靠的导向结构,保证任何工况下,阀瓣均能与阀座同轴并保持密封,规定了公称尺寸大于等于DN200的截止阀止回阀阀瓣应有阀座或阀体的导向机构。目前,大口径截止阀的阀瓣导向结构主要有以下3种形式如图4所示,可供设计选择,从而改善阀瓣的对中性,提高阀门的密封可靠性[5]。
图4 阀瓣不同的导向结构
BS 1873:1975、API STD 623等截止阀设计标准中均要求阀杆与阀盖底部之间设计有上密封结构,一般情况下碳钢阀门要求上密封座独立且堆焊硬质耐蚀合金、不锈钢可采用一体式阀座。改为钛制阀门后腐蚀问题得到解决,可将上密封座与阀盖设计为一体,类似于主密封仍设计成差异化锥面密封,保证密封更加可靠。
近年来,节约能源和保护环境越来越受到重视,PTA装置中对挥发性有机物(VOC)的逸散也提出了要求,阀门中VOC的逸散主要来自于阀杆填料处[6],目前一般要求该位置VOC泄漏量小于等于100 ppm甚至50 ppm,为此针对PTA工况大口径截止阀可采用双重密封结构,下装内外侧带O圈的填料垫,上装组合式低逸散石墨填料组如图5所示,以此来保证大口径截止阀的低逸散设计要求。BS 1873:1975截止阀设计标准中安装填料隔环、紧急情况下注胶强制密封的措施目前已很少使用,且不符合环境要求。当然,低逸散的控制除了科学的设计,还要靠填料函、阀杆的加工精度及组合式填料的综合性能等保证[7]。
图5 低逸散型石墨组合填料
大口径截止阀需保证手动启闭力小于360 N,如果手操力矩较大,可使用撞击式手轮,撞击式手轮(如图6所示是利用手轮较大的转动惯量,使阀门开启更容易或关闭更严,让阀门开、关有效。针对PTA钛合金阀门工况,大口径截止阀一般大于等于12"150 lb、大于等于10"300 lb、大于等于8"600 lb时需安装伞形齿轮箱如图7所示。
图6 撞击式手轮
图7 伞形齿轮箱
以8"CLass 300截止阀为典型规格,对其主要零部件进行设计计算。
通过计算可知,阀体选用ASTM B367 C-2铸件时,计算得到壁厚为9.07 mm。查BS 1873:1975标准中tB-min为17.4mm,查ASME B16.34标准中tB-min为11.0mm,参考ASME B16.34—2007附录B中,关于确定压力-温度额定值的方法确定实际工况下的压力值,考虑接口尺寸要求及加工工艺性,阀体实际壁厚tB为20 mm,tB≥tB-min满足要求。
阀瓣和阀体密封之间采用硬密封,阀瓣和阀体的密封副密封面比压按下式计算
式中:FMJ为密封面处介质力,N;FMF为密封面上密封力,N;DMN为密封面内径,mm;bm为密封面宽度,mm。其中必需比压qMF按下式计算
式中:DMW为密封面外径,mm;α为半锥角,(°);fM为锥形密封面摩擦系数,查表取0.35。
将式(3)、(4)、(5)计算结果代入式(2)中得
密封面为金属硬密封,许用比压[q]=100 MPa,qMF<q<[q],满足密封要求。
截止阀在启闭过程中阀杆有2种动作方式,一种是阀杆旋转式升降,另外一种是升降式,对于大规格阀门一般采用升降式,小规格阀门中阀杆动作方式采用旋转式升降。由于篇幅原因及本文计算校核阀门口径较大等原因,只对升降式阀杆受力分析。
介质从阀瓣下方流入时,阀杆最大轴向力在关闭最终时产生,阀杆轴向合力按下式计算
式中:FMF为密封面上密封力,N;FMJ为密封面处介质力,N;FT为阀杆与填料间的摩擦力,N;FJ′为关闭时导向键对阀杆的摩擦力,N。
其中
式中:dF为阀杆直径,mm;hT为填料层总高度,mm;μT为阀杆与填料间的摩擦系数,对石棉填料为μT=0.15、对聚四氟乙烯填料为μT=0.05~0.1。
关闭时导向键对阀杆的摩擦力FJ′为
式中:RJ为计算半径,mm,取70 mm;fJ为导向键与阀杆键槽间的摩擦系数,取0.2;R′FM为关闭时阀杆螺纹的摩擦半径,mm,取6.38。
将式(4)、(5)、(7)、(8)计算结果代入式(6)得
当介质从阀瓣下方流入时,最大载荷在关闭最终时阀杆受压。
5.4.1 拉压应力校核
拉压应力按式(9)校核
式中:σ为阀杆所受的拉压应力,MPa;F′FZ为阀杆总轴向力,N;A为阀杆的最小截面积,一般为螺纹根部或退刀槽的面积,mm2;[σ]为材料的许用拉或压应力,MPa。
阀杆材料选择为ASTM B381 F5材料,材料的许用应力[σ]=358 MPa,σ≤[σ],校核合格。
5.4.2 扭转剪应力校核
扭转剪应力按式(10)校核
式中:τN为阀杆所受的扭转剪应力,MPa;M为计算截面处的力矩,N·mm;ω为计算截面的抗扭截面系数,mm3,对圆形截面为ω=πd3/16;[τN]为材料的许用扭转剪应力,MPa,取215 MPa。其中ω=3.14×403/16=12 560 mm3。
对于介质从阀瓣下方流入的情况,在关闭时阀杆螺母凸肩与支架地方最薄弱,对其进行校核。其中关闭时阀杆螺母凸肩与支架间摩擦力矩M′FJ按式(11)计算
阀杆材料选择为ASTM B381 F5材料,材料的许用剪切应力[τN]=215 MPa,τN≤[τN],校核合格。
5.4.3 合成应力校核
将σ=134.6 MPa,τN=93.4 MPa代入式(12)中
阀杆材料选择为ASTM B381 F5材料,材料的许用合成应力[σΣ]=358 MPa,σΣ≤[σΣ],校核合格。
PTA用钛合金大口径截止阀的设计没有现成标准参考,但是结合产品应用工况、钛合金材质特性等可以进行针对性地设计,确保产品使用可靠。
(1)针对产品实际应用工况,钛合金大口径截止阀应采用阀杆升降式结构、锥面密封,以及必要的阀瓣导向结构支撑,降低介质的逸散排放、手操需灵活,必要时加装齿轮箱。
(2)针对钛合金材质特性,充分消化、吸收现有钢制截止阀设计标准,了解标准本身含义,对阀门壁厚、密封比压、中法兰、阀杆直径确定等零部件进行设计校核,确保设计的产品裕量足够、安全可靠。
钛合金大口径截止阀的设计还需持之以恒,不断积累技术,争取更好的产品更新迭代,服务国内PTA市场。