上海申弘閥門有限公司
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之前介紹JIS日標(biāo)不銹鋼截止閥標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)在介紹石油化工閥門耐火試驗(yàn)要求介紹了國內(nèi)外閥門耐火試驗(yàn)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，總結(jié)了耐火試驗(yàn)對閥門的影響。針對這些影響因素，分析了有耐火試驗(yàn)要求的閥門在設(shè)計(jì)過程中要考慮的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，包括密封件的選用，法蘭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，閥座密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，閥門內(nèi)腔結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)等。
1、石油化工閥門耐火試驗(yàn)要求概述
石化行業(yè)和一些重要工況下使用的閥門，要求在發(fā)生火災(zāi)之后還能保證一定的密封和啟閉性能。閥門樣機(jī)也需要經(jīng)過耐火試驗(yàn)考核通過后才能投入使用。因此，閥門在設(shè)計(jì)時要考慮到耐火試驗(yàn)的影響，從根本上保證閥門的耐火性能。石化行業(yè)對石化通用閥門和閥門的需求
石油化工是指以石油、天然氣為原料生產(chǎn)汽油、煤油、柴油、潤滑油及液化石油氣等石油產(chǎn)品;以輕質(zhì)油為原料生產(chǎn)烯烴、芳烴進(jìn)而生產(chǎn)合成樹脂、合成纖維、合成橡膠及各種化工原料等產(chǎn)品的現(xiàn)代工業(yè)。
石化行業(yè)有煉油廠、乙烯廠、化纖廠、化工廠、化肥廠等，現(xiàn)在已有不少大型聯(lián)合企業(yè)成為煉油、化工一體化的工廠。煉油廠生產(chǎn)裝置分為一次加工、二次加工、三次加工裝置以及輔助生產(chǎn)裝置。一次加工裝置是采用物理直餾的方法加工原油，獲得的產(chǎn)品稱為直餾產(chǎn)品，所用裝置為常減壓蒸餾裝置。二次加工裝置是利用一次加工出來的產(chǎn)品進(jìn)行再加工，是物理-化學(xué)過程。目的是提高輕烴收率，提高產(chǎn)品質(zhì)量，增加油品品種、提高煉油廠經(jīng)濟(jì)效益，所用裝置有催化裂化、加氫精制、加氫裂化、延遲焦化、潤滑油生產(chǎn)裝置等安全閥。
乙烯廠：石化廠生產(chǎn)裝置中，乙烯裂解是個裝置。下游裝置包括樹脂系列如聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、ABS;化纖系列包括滌綸、腈綸、維綸、錦綸。
閥門：石化閥門是石油化工生產(chǎn)裝置中的zui多的設(shè)備，石化生產(chǎn)中各類氣體和液體介質(zhì)都要通過各種閥門，按照生產(chǎn)過程需要被阻斷或輸送到各種容器和過程設(shè)備中去。石化生產(chǎn)常用的閥門分為通用閥門和閥門，石化通用閥門包括閘閥、截止閥、球閥、止回閥、蝶閥、減壓閥、安全閥、調(diào)節(jié)閥等;石化閥門包括催化裂化裝置中的滑閥和高溫蝶閥、延遲焦化裝置中的四通切換閥和堵焦閥、乙烯裂解裝置中的高溫裂解平板閘閥和低溫閥、聚乙烯和聚丙烯裝置中的固體閥門、合成氨裝置中的高溫高壓角式截止閥和節(jié)流閥等。
石化通用閥門：國內(nèi)閥門制造業(yè)遍布全國，通用閥門生產(chǎn)企業(yè)達(dá)到1300個，已成為閥門產(chǎn)量和市場需求量zui大的國家之一。但是我國的閥門行業(yè)大多為中小企業(yè)，良莠不齊，年產(chǎn)值超億元的只有十幾家，即使與國內(nèi)其他機(jī)械行業(yè)相比，無論在裝置上還是技術(shù)水平上也存在很大的差距，真正具有獨(dú)立研究開發(fā)產(chǎn)品能力的單位很少。全國閥門產(chǎn)品規(guī)格型號達(dá)到40000多個，大部分已經(jīng)實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、系列化，而且有的已經(jīng)可以按照標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)。閥門的zui高使用溫度已經(jīng)達(dá)到570℃，zui低溫度達(dá)到-196℃、zui高壓力達(dá)到600MPa，zui大通徑達(dá)到5350mm。一般通用閥門基本滿足石化生產(chǎn)的大部分需要，但特種閥門如安全閥、截止閥、止回閥等產(chǎn)品，由于密封材料少，密封材料配對不當(dāng)，熱處理工藝達(dá)不到要求，影響了閥門性能和使用壽命。自動閥門如安全閥、減壓閥、疏水閥等，缺乏試驗(yàn)研究手段，有些產(chǎn)品性能不穩(wěn)定。蝶閥、節(jié)流閥等控制閥，由于缺少試驗(yàn)手段，普遍沒有調(diào)節(jié)特性曲線和阻力系數(shù)曲線。電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制水平較低，控制不靈，精度不高。
2、石油化工閥門耐火試驗(yàn)要求相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)
國內(nèi)外有關(guān)閥門耐火試驗(yàn)的常用標(biāo)準(zhǔn)有JB/T 6899-1993、API 607-2010、API 6FA-1999、API6FD-2008和ISO 10497-2010等。不同的標(biāo)準(zhǔn)考核不同類型的閥門(表1) 。閥門耐火試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定主要包括耐火試驗(yàn)時間，試驗(yàn)溫度，閥門泄漏測試方法，耐火試驗(yàn)后閥門的操作方法等( 表2) 。
不同類型的閥門要根據(jù)客戶要求，依據(jù)相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行耐火試驗(yàn)認(rèn)證。相同結(jié)構(gòu)的閥門，可以按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的覆蓋評定原則進(jìn)行評定，不需要對每種規(guī)格的閥門都進(jìn)行耐火試驗(yàn)考核。通過對各個標(biāo)準(zhǔn)的綜合分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，使閥門在耐火試驗(yàn)過程中滿足耐火試驗(yàn)的閥門特點(diǎn)及設(shè)計(jì)要求。通過不同類型閥門的耐火試驗(yàn)驗(yàn)證，閥門在耐火試驗(yàn)過程中出現(xiàn)的主要問題有外密封泄漏、閥座密封泄漏、閥門零件卡阻和閥體局部開裂等。
(1) 閥門外密封泄漏
耐火試驗(yàn)持續(xù)30min 以上，閥體表面溫度達(dá)到680 ～980℃，閥體內(nèi)腔溫度高達(dá)600℃，這些會造成密封件燒毀，法蘭及緊固件熱膨脹或熱變形等，從而導(dǎo)致密封失效，泄漏超標(biāo)。
表1 閥門標(biāo)準(zhǔn)及相關(guān)試驗(yàn)閥門類型
閥門耐火密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與分析
(2) 閥座密封泄漏
閥門經(jīng)過長時間的高溫會造成閥座燒毀、閥座與閥體脫離或閥座變形等情況，影響閥門的密封。
表2 閥門試驗(yàn)技術(shù)規(guī)范
閥門耐火密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與分析
(3) 閥門零件卡阻，無法啟閉或密封
零件高溫下變形、膨脹和應(yīng)力釋放，導(dǎo)致閥門啟閉卡阻，影響正常操作，或者導(dǎo)致密封失效，不能達(dá)到密封效果。
(4) 局部閥體開裂
閥體內(nèi)的介質(zhì)在高溫環(huán)境中氣化，造成閥腔局部壓力過高，引起泄漏或閥體開裂。
3、密封材料
閥門在耐火試驗(yàn)中產(chǎn)生外泄漏的部位包括閥桿的填料密封，中法蘭的墊片密封，和其他與外部接觸的密封部位，產(chǎn)生內(nèi)泄漏的部位主要是閥座密封。閥門設(shè)計(jì)中用到的密封件可以劃分為橡膠類密封件，石棉類密封件，塑料類密封件，石墨類密封件，復(fù)合類密封件( 表3) 。表3 各種密封件使用環(huán)境閥門耐火密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與分析
在閥門耐火試驗(yàn)中，閥體外部達(dá)到680 ～980℃，測溫塊中熱電偶的測量溫度高達(dá)650℃，且持續(xù)保持30min。因此，如果閥門選用的主密封材料不能滿足耐火試驗(yàn)的密封要求，就需要增加輔助密封結(jié)構(gòu)，保證閥門的密封性能。
通過對各種密封材料的使用溫度對比，石棉類、石墨類和復(fù)合類密封件的耐火性能較好，通常用來作為閥門的常規(guī)密封或輔助密封。考慮到石棉類的密封件被大部分國家和地區(qū)禁止使用，石墨類密封件和金屬+ 石墨類復(fù)合密封件是耐火設(shè)計(jì)閥門中的*選擇。
4、密封結(jié)構(gòu)
(1) 中法蘭
閥門的中法蘭或其他法蘭結(jié)構(gòu)是閥門在耐火試驗(yàn)中的主要外泄漏點(diǎn)。根據(jù)多次耐火試驗(yàn)證明，閥門中法蘭泄漏量占閥門總泄漏量的85% ～97%。
法蘭在耐火試驗(yàn)中泄漏的主要原因在于高溫環(huán)境下，緊固件和法蘭發(fā)生高溫蠕變，造成密封系統(tǒng)應(yīng)力松弛，墊片殘余壓緊力不足，zui終導(dǎo)致泄漏量增大，密封失效。
有耐火試驗(yàn)要求的閥門在設(shè)計(jì)選材時，法蘭、緊固件和密封材料要盡量選用熱膨脹系數(shù)接近的材料，降低不同材料間熱膨脹系數(shù)對閥門密封的影響。
閥門及緊固件常用材料熱膨脹系數(shù)如表4 所示。緊固件的應(yīng)變應(yīng)考慮彈性應(yīng)變和高溫蠕變的綜合影響，則εb為
εb = εbe + εbc(1)
式中εb———緊固件的總應(yīng)變
εbe———緊固件的彈性應(yīng)變
εbc———緊固件的高溫蠕變
表4 閥門用主要材料熱膨脹系數(shù)
閥門耐火密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與分析
耐火試驗(yàn)閥門的中法蘭密封件多采用金屬纏繞石墨墊片。金屬纏繞石墨墊片的試驗(yàn)溫度，設(shè)計(jì)壓力，墊片加工過程中的殘余壓緊應(yīng)力對耐火試驗(yàn)過程中的泄漏量有著較大的影響。墊片的泄漏率L 為閥門耐火密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與分析
(2) 閥座
上海申弘閥門有限公司主營閥門有：截止閥,電動截止閥有耐火性能要求的閥座密封要考慮正常使用工況下的密封和耐火試驗(yàn)下的密封2 種情況。金屬密封閥座的閥門在耐火試驗(yàn)中的內(nèi)泄漏會有所上升，但是通常都能夠達(dá)到試驗(yàn)的要求。其zui主要的影響在于閥座的熱變形導(dǎo)致閥座與閥體之間的卡阻現(xiàn)象，從而造成耐火試驗(yàn)后閥門無法正常啟閉，或啟閉力矩過大。因此，此類閥門在設(shè)計(jì)時，要根據(jù)閥門的熱膨脹脹系數(shù)計(jì)算閥桿與軸套，閥座與閥體等配合件之間的配合間隙，避免出現(xiàn)間隙配合轉(zhuǎn)化為過盈配合，增大啟閉力矩。
非金屬密封的閥門在高溫時閥座會被燒毀或損壞。閥門在設(shè)計(jì)時要增設(shè)二次密封閥座。二次密封閥座在設(shè)計(jì)時要考慮到密封面粗糙度，閥座補(bǔ)償間隙，閥座密封性能等因素的影響( 表5) 。表5 非金屬密封閥座補(bǔ)償結(jié)構(gòu)常見問題及解決方法閥門耐火密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與分析
(3) 密封腔體
很多閥門會有一個密閉的腔體，如球閥的中腔，閘閥的中腔，旁通類閥門的平衡腔等。在常規(guī)的使用條件下，密封腔體不會影響到閥門的性能。但是，在耐火試驗(yàn)時，密閉腔體中的介質(zhì)氣化，導(dǎo)致腔體壓力急劇升高。試驗(yàn)證明，在密閉腔體中且介質(zhì)為水時，密閉腔體的壓力能夠升高達(dá)到13 倍，極易造成閥體開裂，或密封損壞。
為避免此類情況的發(fā)生，閥門內(nèi)部的密閉腔體必須要設(shè)計(jì)卸壓結(jié)構(gòu)。閥門中腔的卸壓結(jié)構(gòu)分為自泄壓結(jié)構(gòu)和裝置泄壓結(jié)構(gòu)兩種形式。自泄壓結(jié)構(gòu)就是利用閥門的內(nèi)腔結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在高壓環(huán)境中自動實(shí)現(xiàn)泄壓功能，比如球閥的SPE 閥座結(jié)構(gòu)。裝置泄壓結(jié)構(gòu)，是指在閥門結(jié)構(gòu)加裝高壓卸載結(jié)構(gòu)，閘閥的閥體泄壓閥等。
5、結(jié)語
有耐火試驗(yàn)要求的閥門在進(jìn)行設(shè)計(jì)時，要綜合考慮高溫、局部高壓和材料的熱膨脹系數(shù)等因素對閥門的材料、密封性能和啟閉力矩等因素的影響。針對不同的閥門類型的問題，提前給出解決方案，實(shí)現(xiàn)閥門的密封可靠性，保證閥門的耐火性能要求。與本文相關(guān)的產(chǎn)品有不銹鋼波紋管密封安全閥
