酸性油气用阀门的设计和计算.pdf

文章编号 100225855 2007 0220001207 作者简介张清明1959 - ,男,江西乐安人,工程师,从事阀门开发与研究工作。 酸性油气用阀门的设计和计算 张清明 伯特利阀门集团有限公司,浙江 温州325105 摘要 分析了酸性油气的腐蚀性和特点,介绍了酸性油气输送系统用阀门的设计和计算方 法,论述了阀门的材料选择和腐蚀防护。 关键词 酸性油气;阀门;设计;材料;腐蚀防护 中图分类号 TH134 文献标识码 A Design and calculation of valves for acid oil and gas ZHANG Qing2ming BTL Valve Group , Wenzhou 325105 , China Abstract Analyses corrosion and characteristics of acid oil an gas , introduces the s of design and calculation of valves for acid oil and gas pipeline system , discusses material selection and corrosive protection. Key words acid oil and gas; design of valves; calculation ; material ; corrosive protection 计算用符号及单位 SB 计算壁厚, mm DM 阀体中腔最大内径, mm K0 阀体外径与内径之比 〔 σ 〕 材料许用应力, MPa P 公称压力, MPa σb 强度极限, MPa σs 屈服极限, MPa St 静水压实验压力下的最大许用应力强度, MPa Sy 规定的材料最小屈服强度, MPa Sm 额定工作压力下的设计压力强度, MPa Ety 高温下材料屈服强度, MPa Rty 室温下材料屈服强度, MPa C 材料附加裕量 t 计算壁厚, in. Pc 压力额定等级代号 d 通道内径, in. S、KN 应力系数 bg 阀杆剪切宽度, mm hg 阀杆剪切高度, mm D1 螺栓孔中心圆直径, mm dT 阀杆螺纹退刀槽直径, mm D2 中法兰根径, mm Q 计算截荷, N DDP 垫片平均直径, mm Bn 垫片有效宽度, mm bDP 垫片宽度, mm MDP 垫片系数 h 中法兰厚度, mm K 系数 S′ 颈部厚度, mm H′ 加强厚度高度, mm D 计算内径, mm H 实际厚度H′H , mm QmF 密封必需比压, MPa DN 阀座内径, mm Bm 密封面宽度, mm dF 阀杆直径, mm ht 填料总高度, mm μt 阀杆与填料的摩擦系数 RFM′ 关闭阀门时阀杆螺纹摩擦半径 RFM″ 开启阀门时阀杆螺纹摩擦半径 12007年第2期 阀 门 DX1 塞子大端直径, mm DX2 塞子小端直径, mm fm 塞子与阀体的摩擦系数 α 塞子的半锥角 , Dx 阀门进口直径, mm L1、L2 力臂, mm DW 闸板密封面外径, mm DL 闸板密封面内径, mm b 剪切宽度, mm h1 剪切厚度, mm B 旋塞通道的平均宽度, mm Hx 旋塞通道的高度, mm η 旋塞的缩小系数 CX 密封面宽度系数 l 塞体锥面母线的长度, mm R 球体半径, mm Dq 球阀阀座密封面外径, mm dq 球阀阀座密封面内径, mm DH 进口密封面活塞外径, mm DQf 球阀下轴直径, mm 1 概述 含有H2S或CO2的油和气体称为酸性油气。 介质中H2S或CO2对管道运输系统危害很大,特 别是H2S不仅会导致金属材料突发性的硫化物应力 开裂SSC ,造成巨大经济损失,而且其毒性还 威胁着人身安全。地层中的油气除了含H2S或CO2 以外,一般还含有矿化水,在高温高压下,有时还 含有多硫和单质硫类络合物,因此具有很强的腐蚀 性。 阀门是管道运输系统中不可缺少的重要设备之 一。随着酸性油气的大量开发,阀门需求量也不断 的增多。如果阀门的结构设计及材料选择不适宜, 特别是积水部位,因腐蚀导致局部壁厚减薄和穿孔 的速度加快,就会造成阀门的密封泄漏、壳体开裂 和阀杆折断等事故。所以对用于酸性油气输送系统 中的阀门结构设计和材料的选用提出了更高的要 求。 2 分析 211 H2S腐蚀 H2S只有溶解在水中才有腐蚀性。常见的H2S 腐蚀破坏通常可分为两种类型。一类为电化学反应 过程阳极铁溶解导致的,表现为金属设施的壁厚减 薄和点蚀穿孔等局部腐蚀破坏。另一类为电化学反 应过程中阴极吸出的氢原子导致钢铁H2S环境开裂 图 1 。H2S环境开裂主要表现有硫化物应力开裂 SSC、氢诱发裂纹HIC、氢鼓泡HB和应 力导向氢诱发裂纹SOHIC。H2S的腐蚀产物为 碳化铁,其溶度体积很小,是一类难溶沉淀物,含 有大量的悬浮的硫化铁水称为“黑水”。H2S腐 蚀与pH值有关,通常pH 6是临界值,当pH 6 时,钢的腐蚀率高,腐蚀液呈黑色浑浊状。 212 CO2腐蚀 CO2溶于水便形成碳酸,碳酸与铁反应生成碳 酸铁,使材料成片脱落,减小壳体壁厚度。这种腐 蚀机理是对裸露的金属表面而言,而实际在含CO2 油气环境中钢铁表面在腐蚀初期可视为裸露表面, 随后将被碳酸盐腐蚀产物膜所覆盖。所以CO2水 对钢铁腐蚀还与腐蚀产物是否在钢表面成膜有关。 一般情况下CO2腐蚀与pH值成函数关系。pH值 降低, CO2腐蚀就严重。反之pH值升高,腐蚀性 能降低。通常pH值达到10以上,根据CO2分压 的大小,一般可确定是否存在腐蚀。分压超过 012MPa有腐蚀,分压在0105～012MPa可能有腐 蚀,分压小于0105MPa无腐蚀。 a HIC b HB c SSC d SOHIC 图1 硫化氢应力开裂形态 3 常用标准 酸性油气用阀门设计常用的标准分为额定压力 值、产品设计和阀体端法兰3部分。 311 额定压力值 酸性油气用阀门的额定压力值在GB、ASME B16134和API 6A中均有规定。GB中规定的压力 为110、116、210、215、410、510、613、1010、 1510、1610、2010、2510、3210、4210和 6310MPa等, ASME B16134中规定的压力为150、 300、400、600、900、1 500、2 500和4 200LB 等, API 6A中规定的压力为2 000psi 1318MPa、 2 阀 门 2007年第2期 3000psi 20 17MPa 、5000psi 34 15MPa 、 10 000psi 6910MPa、15 000psi 10315MPa和 20 000psi 13810MPa等。 312 产品设计 适用于酸性油气的阀门产品设计标准有GB/ T 12234法兰和对焊连接钢制闸阀 、GB/ T 12236 钢制旋启式止回阀 、JB/ T 5298管线用钢制平 板闸阀 、API 6D管道阀门 、API 6A井口装 置和采油树设备规范 、BS 1414石油、石化及相 关工业用钢制楔式闸阀和NACE MR0175油田 设备用抗硫化应力裂纹的金属材料等。 313 阀体端法兰 国内外均有与阀体端法兰设计相关的标准。国 内标准有GB/ T 911311～9113142000整体钢制 管法兰 、GB/ T 134021992大直径对焊及整体 式法兰 、JB/ T 7911～79141994整体钢制管法 兰 、HG 205961997整体钢制管法兰/欧洲体 系 、HG 206191997整体钢制管法兰/美洲体 系和SH 34061996钢制管法兰等,国外标 准有ASME B16152003法 兰 与 法 兰 管 件 、 ASME B161471996大口径钢法兰 、API 6A/ 6B或6BX型钢制管法兰/适用于井口装置和 BS EN1092112002钢制法兰等。 4 阀门主要参数 411 阀体壁厚 阀体壁厚的确定主要有查表法和计算法。查表 法是根据GB/ T 12234、GB/ T 12236、API 600、 ASME B16134和BS 1414等标准的规定选取阀体 最小壁厚值。计算法是根据公式计算阀体最小壁 厚。 阀体最小壁厚SB为 SB DM K 0-1 2 C K0 〔 σ 〕 〔 σ 〕-3P GB规定,许用应力 〔 σb〕σb/ 4125 , 〔 σ s〕 σs/ 213 ,取小值。 API 6A规定,许用应力与温度有关。当温度 ≤121℃时,St 0183Sy,Sm 2Sy/ 3 ,取小值。 当温度 ≥180～345℃ 时,Sm 2Se/ 3 ,SeEtySy/ Rty。 ASME B16134中规定,计算壁厚t为 t 11 5 Pcd 2S - 112PcC 412 阀杆轴向力和力矩 1闸阀 阀杆受力见图2。 图2 阀杆受力 阀门关闭时阀杆总轴向力QFZ′ 为 QFZ′K1QMJK2QMFQTQP 阀门开启时阀杆总轴向力QFZ″ 为 QFZ″K3QMJK4QMFQT-QP 密封处的介质作用力QMJ为 QMJ π 4 D N bm 2 P 密封面密封力QMF为 QMFπ D N bm b mqmF 阀杆与填料的摩擦力QT为 QTπdFhtμtP 介质作用在阀杆上的轴向力QMJ为 QMJ π 4 dF2P 楔式密封系数为K1～K4。 平面自动密封系数为 K2K4 0 对于双面强制密封 QP 0 密封比压q为 q Q MJ QMF π D N bm b m ≤ 〔q〕 阀门关闭时阀杆总力矩MFZ′ 为 MFZ′MFL′MFT 阀门开启时阀杆总力矩MFZ″ 为 MFZ″MFL″MFT 阀门关闭时阀杆螺纹摩擦力矩MFL′ 为 MFL′QFZ′RFM′ 32007年第2期 阀 门 阀门开启时阀杆螺纹摩擦力矩MFL″ 为 MFL″QFZ″RFM″ 阀杆与填料的摩擦力矩MFT为 MFT QTdF 2 II截面阀杆螺纹根部承受载荷PM为 PM π 4σ bdT2KN ⅡⅡ 截面剪切应力τ为 τ QFZ″-QT 2bghg ≤ 〔 τ 〕 ⅡⅡ 截面总承受载荷PΣ为 P∑ 4τbghg 3 2旋塞阀 阀杆轴向力QX为 QX π 4 qmF D X12- DX22 1 fm tgα 阀杆力矩MX为 MX MXF MXT MXJ 密封面间的摩擦力矩MXF为 MXF QXDXMfm 2sinα1 fm tgα 塞子的平径直径DXM为 DXM DX1 DX2 2 阀杆与填料的摩擦力矩MXT为 MXT QTdF 2 介质作用力在塞子与阀体接触面上产生的摩擦 力矩MXJ为 MXJπdX2fmDXM 3球阀 阀杆力矩MQ为 MQ MmQ1 MmQ2 MFT MUQ 阀座对球体产生的摩擦力矩MmQ1为 MmQ1 TqmFRμt D q2- dq2 1cosΨ 4 介质工作压力产生的摩擦力矩MmQ2为 MmQ2 πPRμt D H2-0.5Dq2- dq2 1cosΨ 8 cosΨ 阀杆与填料的摩擦力矩MFT为 MFT QTdF 2 轴套产生的摩擦力矩MUQ为 MUQ πPDH2μtdQf 8 413 中法兰 阀体中法兰设计必须综合考虑法兰强度和刚度、 螺栓受力、温度变化、振动及水击等影响,中法兰设 计的主要内容有确定法兰和密封面形式、选择垫片材 料及形式、确定螺栓直径和数量及材料、确定法兰颈 部尺寸和法兰宽度及厚度尺寸等,确定阀体中法兰尺 寸的方法主要有标准法兰参照法和计算法。 标准法兰参照法是根据中腔内径尺寸,参照对 应于阀门公称压力和中法兰密封面形式相同的标准 法兰系列,将公称通径与阀体中腔内径相当或相 近的标准法兰尺寸作为阀体中法兰设计尺寸。阀 体端法兰属管道用法兰,而阀体中法兰属容器法 兰,两者在法兰结构形式与法兰密封面形式相同的 情况下才能参照采用,根据经验用参照法确定的中 法兰尺寸不应小于阀体端法兰尺寸。 计算法设计阀体中法兰时,应根据阀门公称压 力的高低采用不同的公式。 1中低压 中低压阀体中法兰结构如图3所示,其中II 和 ⅡⅡ 截面应进行强度校核。 图3 中低压阀门法兰 II截面弯曲应力σwⅠ为 σwⅠ QL1 W1 ≤ 〔 σw〕 力臂L1为 L1 D1-D2 2 计算载荷Q为 Q QDJ QDF QDT QFZ 垫片处介质作用力QDJ为 QDJ πDDP2P 4 4 阀 门 2007年第2期 垫片上的密封力QDJ为 QDJ2πBnbDPMDP 垫片弹性力QDT为 QDT 012QDJ 截面II系数WⅠ为 WⅠ πDn2 6 ⅡⅡ 截面弯曲应力σwⅡ为 σwⅡ 014QL2 WⅡ ≤[σw] 力臂L2为 L2 L1 D2-D 4 截面 ⅡⅡ 系数WⅡ为 WⅡ π 12 D 2 D D2-D 2 2 2高压 高压阀体中腔结构如图4所示。其合成应力σε 为 σ εσwσL≤ 〔 σw〕 图4 高压阀体中腔结构 弯曲应力σw为 σw 01614QmR KDS 2 中腔介质作用力QmR为 QmR πD2P 4 K 1186 D1S′ 拉应力σL为 σL QLZ πD1S′ 螺栓计算载荷QLZ为 QLZQ H′ πK 4 414 其他参数 闸板或阀瓣壁厚SB′ 为 SB′ DW DL 4 1124P 〔 σ 〕 阀杆T形头的剪应力τ为 τ QFZ-QT 2bh1 ≤ 〔 τ 〕 旋塞通道截面的面积A为 AB Hx梯形 πd2η 4 塞体及密封面宽度BXm为 BXm Cxπ ηd 36 旋塞所需的密封面上的作用力N为 N πDXMl - 2B Hx Q mf 5 主要材料 阀门主要材料根据标准选取。 511 国家标准规定 阀门材料为碳素钢时,采用GB/ T 699 - 1986 中的25、30、35、40和45钢。阀门材料为低合金 钢时,采用GB/ T 3077 - 1980中的35CrMo钢。阀 门材料为奥氏体不锈钢时,采用GB/ T 1220 - 1992 中 的0Cr19Ni9钢、GB/ T4237 -1992中 的 1Cr18Ni9Ti钢 及GB/ T2270-1992中 的 0Cr18Ni11Ti、0Cr17Ni12Mo2和3Cr17Ni7Mo2N 318钢等。阀门材料为马氏体不锈钢时,采用 GB/ T 1220 - 1992中的2Cr13钢。 512 NACE MR0175规定 阀体材料为铁素体不锈钢时,采用ASTM A276中的405和430钢。阀门材料为马氏体不锈 钢时,采用ASTM A276中的410、420和A217中 的CA15钢。阀门材料为沉淀硬化不锈钢时,采用 ASTM A453中的660和A638中的660钢。阀门材 料为奥氏体不锈钢时,采用A276中的302、304、 304L、310、316、316L、321和347等, ASTM A193中的B8、B8M和B8MA , ASTM A320中的 B8和B8M , ASTM A194中的8A和8MA , ASTM A351中的CD3、CF8、CF3M、CD8M和CN7M等 钢。阀门材料为双相不锈钢仅指锻造时,采用 UNS中的S31260和S31803钢。阀门材料为镍铜 合金时,按照ASTM B163和B164规定。阀门材 料为镍铁铬合金时,按照ASTM B163、B515的 B408规定。阀门材料为镍铁铬钼合金时,按照 ASTM B163、B622和B705规定。阀门材料为镍铬 52007年第2期 阀 门 合金时,按照ASTM B163、B366和B517规定。 阀门材料为镍铬钼合金时,按照ASTM B446、 B622和B67规定。 513 API 6A API 6A中规定的材料要求及性能见表1。 表1 材料性能 材料类型 材料最低要求 阀体、 阀盖、 支架、 闸板阀杆、 阀座、 轴 DD -一般酸性环境碳钢或低合金钢碳钢或低合金钢 EE -酸性环境碳钢或低合金钢不锈钢 FF -酸性环境不锈钢不锈钢 HH -酸性环境CRAsCRAs 材料牌号 012 屈服强度 最小MPapsi 抗拉强度 最小MPapsi 2in. 50mm延伸率 最小 截面收缩率 最小 36K24836 00048370 00021不要求 45K31245 00048370 0001932 65K41460 00058658 0001835 75K51775 00065595 0001735 6 防腐蚀结构设计的原则 设计酸性油气用阀门时,应考虑从结构上提高 耐腐蚀性能。 1结构形式应尽量简单,在可能条件下优先 采用圆形结构。 2防止残留液腐蚀和沉积物腐蚀,阀门表面 应设计成直线形,尽量减少弯曲部位。 3尽可能采取对焊、连续焊,以免形成缝隙 腐蚀。 4法兰连接的密封垫片不要向内伸出,以免 产生缝隙腐蚀和孔蚀,垫片最好采用不渗透的材 料。 5在设计时应避免承压零件在凹口、截面突 变、尖角、沟槽、键槽、油孔、螺线等处产生应力 集中,为了降低应力集中,减少应力腐蚀倾向,零 件在形状或尺寸改变时不应设有尖角,而应有圆弧 过渡。 6为了避免产生电偶腐蚀,同一结构中应尽 可能采用同一种金属材料,如必需选用不同金属材 料,则要尽量选用电偶序中位置相近的材料,一般 两种材料的电偶差小于50mV时,不至引起电偶腐 蚀。 7碳钢和低合金钢在最高硬度为22HRC时 都可选用条件为含镍量低于1 ,并采用热扎 仅适用于碳钢、退火、正火、正火和回火、正火 加奥氏体化、淬火和回火、奥氏体化加淬火和回火 等热处理条件之一。 8奥氏体不锈钢无论是锻造还是铸造,经退 火后最大硬度为22HRC ,若不再强化其机械性能 而设计冷作工艺时可选用。 9铁素体不锈钢无论是铸件还是锻件,应经 固溶处理,最高硬度为22HRC ,可采用。 10马氏体不锈钢无论是铸造还是锻造,只 要按热处理工艺① 正火或奥氏体化和淬火。② 最 低回火温度为620℃1 150υ , 回火后冷却至室 温。③ 最低回火温度为620℃1 150υ但低于首 次回火温度,回火后冷却到室温。并满足材料的 有关规定,最高硬度为22HRC ,就可采用。 11沉淀硬化不锈钢应严格控制化学成分, 并先经热处理工艺①1 040℃14℃1 900υ 25υ下固溶退火,然后空冷。 ②760℃14℃ 1 400υ 25υ下至少硬化 2h ,然后空冷,在 二次沉淀硬化之前,将温度冷却至32℃ 90 υ 以下。③620℃14℃1 150υ 25υ下沉淀硬 化至少4h ,然后空冷。 , 直到最高硬度为33HRC , 可以选用。 12锻造双相不锈钢A F在经固溶退火 后,其最高硬度为28HRC时,可以选用。 13对非铁基金属,通过适当的热处理工艺, 最后硬度为35HRC时,可以采用。 14螺栓用于裸露工况时,选用A193中的 B7M和A320中的L7M ,最小屈服强度为550MPa 8 000psi ,最高硬度为22HRC ,其螺母选用 A194中的2HM。螺栓用于非裸露工况时,选用 A193中的B7和A320中的L7或L43 ,其螺母选 用A194中的2H。 7 制造 1在碳钢、低合金钢或马氏体不锈钢上堆焊 6 阀 门 2007年第2期 时,如果在操作过程中基体金属的温度没有超过下 临界温度,可以获得令人满意的酸性环境使用效 果。如果超过了下临界温度必须根据规定的程序对 该零件进行热处理或高温去应力,以使基体金属的 硬度回复到最高硬度为22HRC的状态。 2低合金钢和马氏体不锈钢焊接时,应在最 低为620℃ 的温度下去除应力,以保证其材料的最 高硬度为22HRC。 3可以选用固溶热处理后硬度不超 过 223HRB的铸造双相不锈钢A F UNSJ93345。 4裸露酸性环境中的材料,为了防止基体金 属产生硫化应力裂纹,不可采用金属涂层电镀或 化学镀转换涂层、塑料涂层或衬里的方法。 5含镍量高于1 的焊条、焊丝、焊剂、填 充金属和可溶焊碳钢及低合金钢,不可用于焊接碳 钢和低合金钢。 8 防护 在酸性油气中使用的阀门,对内部的腐蚀件应 采用防护措施。 1根据不同介质和使用条件,选用合适的金 属材料。如在含H2S及CO2的介质中选用耐腐蚀 性合金钢9Cr1Mo、13Cr及碳钢和低合金钢。 2选用合适的非金属材料,如玻璃钢衬里及 防腐层。 3去除介质中促进腐蚀的有害成分,调节介 质的pH值、降低介质的含水率等,以降低介质的 腐蚀性。 4添加化学药剂。在介质中添加少量阻止或 减缓金属腐蚀的物质,如缓蚀剂、杀菌剂和阻垢剂 等,以减缓介质对金属的腐蚀。 5合理的防腐蚀设计及改进生产工艺流程以 减轻或防止金属的腐蚀。 6对于集输管线,用清管器定期清除管内的 污物和沉积物,达到改善和保护管内的洁净,还可 避免由于粘附在管壁上的腐蚀产物、石蜡或其他的 固体沉积物对腐蚀活跃区的遮护而限制缓蚀剂和使 用效果。 9 结语 酸性油气用阀门主要安装在井口装置、石油、 化工和天然气等管道上作截断设备。酸性油气具有 毒性,腐蚀性很强,阀门在设计、制造和选材等方 面都需要严格的控制,必须遵守有关设计标准、制 造标准及材料的热处理方法。随着科学技术的不断 发展,大量的抗酸性油气用阀门材料研制成功,也 为延长阀门的使用寿命创造了条件。 参考文献 〔1〕 杨源泉.阀门设计手册 〔M〕.北京机械工业出版社, 1992. 〔2〕 陆培文.实用阀门设计手册 〔M〕.北京机械工业出版社, 2002. 〔3〕 卢绮敏.石油工业中的腐蚀与防护 〔M〕.北京化工工业 出版社, 2004. 〔4〕 NACE MR0175 ,油田设备用抗硫化应力裂纹的金属材料 〔S〕. 收稿日期 20061091 08 书讯 11电站常用阀门手册 本书由中国电力出版社2000年出版发行,中国电器工业协 会电站辅机分会编。本书既是电站阀门设计选型的必备工具书,也是电厂选购阀门的最新参考书。本书主 要内容包括闸阀、截止阀、节流阀、止回阀、安全阀、调节阀、给水分配阀、球阀、蝶阀、疏水阀、隔 膜阀、减压阀、减温减压阀、特殊阀真空阀、水封阀、水压试验用阀、限流阀、限流稳压保护阀、监流 器和压力表截止阀、超压保护阀等、旁路装置、阀门电动装置以及电站阀门型号编制方法和主要阀门类 型简介等。书号ISBN7508302974 ,定价80100元/册。 212005年机电产品报价手册阀门分册 本书由机械工业出版社于2005年出版发行。该报 价手册是中国机电产品价格信息数据库2005年版的书本式出版物,是了解阀门产品价格信息的参考工具 书,其内容包括产品名称、型号规格、主要技术参数、参考价格、生产厂家、备注、邮政编码、电话和 地址等。书号ISBN711113399 - 4 ,定价136元/册。 31阀门选用手册 本书由机械工业出版社2002年出版发行,由陆培文、孙晓霞、杨炯良编著。 书中介绍了选用阀门所需的基础知识,选用阀门基本原则,以及各类阀门的具体选择方法和有关数据资 料,力求使用户通过本书能够选到性能可靠,经济耐用的阀门产品。全书1200余千字, 16开本,书号 ISBN7111087429 ,定价76100元/册。 每册加收书价10 的邮寄包装费。需要者,请与沈阳经济技术开发区开发大路15号沈阳阀门研究所 科技开发信息中心的尹玉杰联系,邮编 110142 ,电话 13840373900。 E2mail web chinavalveinfo1net http / / www1chinavalveinfo1net 72007年第2期 阀 门