高温掺合阀阀芯的改进.pdf

鹣管渡恭 石 油 化 工 设 计 P e t r o c he mi c a l De s i g n 高温 掺合 阀阀芯的改进 宁尚勇 荆门炼化机械有限公司， 湖北荆门4 4 8 0 0 2 摘要介绍了高温掺舍阀的结构特点， 并针对 目前高温掺合阀实际操作使用中阀芯容易烧损、 脱落等 问题， 从阀芯的结构及材料入手提出了改进措施。改进后的碳化钨硬质合金阀芯使用寿命有了很大的提 高， 较改进前阀芯使用寿命延长了3倍以上。 关键词高温掺合阀 阀芯碳化钨硬质合金使用寿命 高温掺合阀是石 油化工尾气 、 天然 气等过程 气脱硫过程 中的环保 专用设备。荆 门炼化机械公 司生产的高温掺合阀上安装在硫磺 回收装置燃烧 炉 的出口管线上 ， 其作用是控 制热流混合气体 的 流量 ， 用来调节热流和冷流混合气体的掺合量 ， 并 使其处于最佳温度范围时进入转化器转化 。 1工艺参数及结构特点 1 工 艺参 数 。操 作 介 质 H S 、 S O 、 C O 、 H O， 空气等混合气体。操作温度 冷流 ～1 5 0℃ ， 热流 1 2 0 0～1 4 0 0 oC ， 混合流 2 6 0℃。操作压力 表 0 ． 0 2 5 0 ． 0 3 5 M P a 。 2 结构特点。阀体主体为 2 0号无缝钢管和 Q 2 3 5一B钢板 的组合件 根据介质及操作条件 的 不同， 阀体部分也有用不锈钢 阀体 ， 其下部热流 入 口是用 T A一 2 1 8耐磨衬里做成 的耐磨套 ， 隔热 衬里为含锆陶纤浇注料 ， 浇注在 阀体 和 T A一2 1 8 耐磨套之 间。阀座 圈材 质为 Z G 1 C r 2 5 N i 2 0 S i 2， 阀 座 圈 焊 接 在 阀 体 壳 体 上。 下 阀 杆 材 料 为 1 C r 2 5 N i 2 0 S i 2 。阀杆填料箱设置蒸汽夹套保温 ， 以 避免含硫气体冷凝后对阀杆产生露点腐蚀 j 。 高温掺合阀 见 图 1 的下法兰同燃烧炉 的出 口法兰直接相连， 热流从 阀门的下部进 入热流通 道， 阀芯在阀杆的带动下， 上下移动， 控制阀座的 开 口面积 ， 以达到调节热流流量 的 目的。热流 和 冷流在阀体内形成混合气， 通过调节热流流量的 大小， 使混合流的温度达到最佳温度范围。阀体 上端配有带 阀门定位器的气动执行机构 ， 可接受 3 2 1 图 1 高温掺合 阀不意 1 一阀体 ； 2 一 填料箱 ； 3 一执行机构 ； 4 ～上 阀杆 ； 5 一下阀杆 6 ～阀芯 ； 7 一阀座圈 ； 8 一耐磨衬套 4 2 0 m A的调节信号 ， 进行调节控制 1 j 。 3 高温掺合阀在使用 中出现 的问题 。早期 由于硫磺 回收装置的规模小 ， 处理量小 ， 燃烧炉的 温度在小于 1 2 0 0℃ ， 阀芯材质为 1 C r 2 5 N i 2 0 S i 2 ， 阀 门很少出现问题。后来 随着 回收装置规模 的扩大 处理量增加 ， 导致燃烧炉的温度随之升高 ， 现 已达 到 1 4 0 0℃， 最高时可达约 1 6 0 0℃ 。高温掺合 阀 在使用过程中也随之出现故障 阀芯被熔化 ； 阀芯 和阀杆之间 的连接脱落导致 阀门无法正 常调节 ； 阀门在全关时达不到关 闭的要求等 。经过调查研 究后认为 ， 由于现役硫磺 回收装置的处理量加大 ， 收稿 日期 2 0 1 2 0 1 0 6 。 作者简介宁尚勇， 男， 1 9 9 9年毕业于汉 中理工大学 汉 口分校机械电子工程专业， 任技术部副主任， 工程 师， 现主要从事炼油装置特殊阀门的制造工作。联 系 电话 0 7 2 4 2 2 1 1 7 1 1 E～m a i l h b j m j x c j s b 1 2 6 ． c o m 石 油 化 工 设 计 第 2 9卷 导致燃烧炉 内的温度及热流出 口温度远远 高于早 期的温度 ， 而且远远超过 阀芯材料 的正常使用温 度 1 1 5 0℃ ， 热流出口的高温气流直接作用在 阀 芯上 ， 阀芯在约 1 4 0 0℃高 温、 酸性介质腐蚀及高 温气流冲刷 的共 同作用下 ， 很快就被烧损甚至熔 毁报废 ， 致使高温掺合阀无法正常使用 ， 这也成为 装置安全长周期运行 的一个重大隐患。 2 高温掺合阀阀芯的改进 2 ． 1 方案 l ／ 1 C r 2 5 N i 2 0 S i 2阀芯表面喷氧化锆 在原 1 C r 2 5 N i 2 0 S i 2抛物线型阀芯 见图 2 表 面喷一层氧化锆。氧化锆是一种很好的高温耐磨 陶瓷材料 ， 具 有强度高、 硬度高 和韧性佳 ， 空气 中 稳定使用最高温度可达 1 8 0 0 o C。我们曾在 中石 化荆门分公 司硫磺 回收装置 上进行试验 ， 在高温 掺合阀投用约 4个月后 出现 了氧化锆剥落和阀芯 被熔 化 的 现 象 。通 过 分 析 其 原 因 主 要 是 1 C r 2 5 N i 2 0 S i 2和氧 化锆 之间 的热膨 胀 系数 不一 致 ， 阀芯基体膨胀量大 ， 可引起表面材料开裂 ， 加 之阀芯基体和表面材料之间结合不紧密而导致表 面氧化锆层剥落 ， 氧化锆层剥落 的阀芯直接作 用 在高温气流之下 ， 最终被熔毁 。 图 2 1 C r 2 5 N i 2 0 S i 2抛物线型阀芯 2 ． 2方案 Ⅱ／ 1 C r 2 5 N i 2 0 S i 2加 T A- 2 1 8阀芯 1 C r 2 5 N i 2 0 S i 2 T A一2 1 8 阀芯 目前使用最 为广泛 ， 阀芯基 体采用 1 C r 2 5 N i 2 0 S i 2材质 ， 阀芯 表面衬有 2 0 mm厚 T A一2 1 8耐 磨衬 里 ， 该 衬 里 和阀芯之 间用挂 片连接与 固定。挂 片为半 圆环 型或抛 物线型 ， 冲有舌形孔 ， 数量 为 68件。挂 片材质为 1 C r 2 5 N i 2 0 S i 2， 挂片与 阀芯之 间焊接 连 接 。搅拌好 的衬里材 料通过 捣打 ， 压实 ， 使之 紧 密地 固定 在 阀芯表 面 ， 经 衬 里养 生及 烘烤 后 使 用 。 T A一 2 1 8作为在高温下具有强度好 、 硬度高 、 耐腐蚀 ， 最高使用温度可达 1 6 0 0℃。其参数指标 见表 1 。 表 1 T A一 2 1 8性能参数 热处理 体积密度／ 抗折强度／ 抗压强度／ 线变化 温度／ ℃ k g I n MP a MP a 率 ， ％ 1 1 0 3 o o O l 1 ． 5 9 2 0 ． O 9 5 4 0 2 9 8 0 l 1 ． 5 9 5 一O． 1 8 8 1 5 2 9 7 0 l 1 ． 5 9 8 0． 2 4 1 C r 2 5 N i 2 0 S i 2 T A一2 1 8 阀芯有抛物线型 [ 见 图3 a ] 和半球型[ 见图 3 b ] 两种结构。抛 物线型结构 的阀芯调节性能好 ， 但高度方 向尺寸 较大 ， 阀门在实际使用过程 中， 阀芯始终处于高温 区域 ， 工况较 为恶劣 ， 其使用寿命 受影响 ； 半球 型 结构的阀芯调节性能相对较差 ， 但 高度方 向尺寸 较小 ， 在阀门的全开状态下， 能使 阀芯远离高温气 流区域， 处于冷流中， 避免 了阀芯长期处于高温气 流区， 对延长阀芯使用寿命有积极作用 。 a 抛物线 型 b 半球 型 图 3两种 闽 芯 l ～ 阀芯基体 ； 2 一衬里材料 综合考虑阀门的调节性能和阀芯的使用寿命 等因素 ， 我们 以高温掺 合阀热流 口径 的大小作为 高温掺合阀阀芯结构 的选型依据 ， 一般情况下 ， 热 流 口径大于等于 1 o 0时选用半球型结构， 热流 口 径小于 1 0 0时选用抛物线型结构 J 。 T A一2 1 8耐 磨 衬 里 在 高 温 下 体 积 收 缩 ， 1 C r 2 5 N i 2 0 S i 2阀芯基体 高温下产生膨胀 ， 由于膨 胀量的差异 ， 阀芯在使用一段时间后 ， 挂片与 阀芯 焊接处容易脱焊 ， 致使 阀芯耐磨衬里层脱落 ， 导致 阀门无法正 常调节 ， 严重 时脱 落的耐磨 衬里会堵 住热流出口， 导致装置无法满负荷运转甚至停工。 1 C r 2 5 N i 2 0 S i 2 T A一2 1 8 阀芯 的正常使用 寿命约 68个月 ， 虽 然较方案 I有 了一定 的提 高 ， 但仍然无法满足装置长周期安全运行的需要。 2 ． 3 方案I I I ／ 碳化钨硬质合金 阀芯 硬质合金是由难熔金属的硬质化合物和粘结 金属通过粉末冶金工艺制成的一种合金材料。硬 质合金具有硬度高、 耐磨 、 耐热、 耐腐蚀 、 强度和韧 性较好等一系列优 良性能 ， 特别是它的高硬度和 耐磨性 ， 即使在 5 0 0 c I 的温度下也基本保持不变 ， 第 2 9卷 宁尚勇． 高温掺合阀阀芯的改进 4 5 在 1 0 0 0 o C时仍有很高 的硬度。 目前常用 的硬 质 合金分两大 类 一 类是 钨钴 系， 它 是 以碳 化钨 为 基 ， 用钻作粘结剂 ， 经压制、 烧结 而成的 ， 我 国的牌 号用 “ Y G” 表示 ； 另一类是 钨钛钴 系 用 “ Y T ” 表 示 和钨钛锡钴系 用“ Y w” 表示 ， 钨钛钻系列以 碳化钨 、 碳化钛为基体 ， 钨钛锡钴系列 以碳化钨 、 碳化钛和碳化铌为基体。钨钛钴系和钨钛锡钴系 均用钴作粘结剂 ， 经压制 、 烧结而成 j 。 高温掺合 阀阀芯选用钨钴 系硬质合金 ， 牌 号 为 Y G 8 ， 它除了具有很高的硬度和强度外 ， 还有较 好的韧性及耐腐蚀性， 适合于制作机械加工用刀 具 ， 冷挤压模具材料 、 机械设备及腐蚀环境 中的耐 磨零件如泵 的密封环 、 阀门的阀座 、 铀承套等 。 Y G 8硬质合金碳化钨含量 9 2 ％ ， 钴作为粘接 剂含量为 8 ％， 其性能参数见表 2 。 表2 Y G 8性能参数 密度／ 熔点／ o c 抗弯强 硬度／ H R A 膨胀系数 g c m 度／ MP a 常温 9 0 o℃ 1 0一 ／ q c 1 4 ． 6 ～1 5 ． 9 I 2 2 0 0 1 6 8 0 8 9～ 9 3 ≥ 8 9 5 1 0 YG 8硬质合金阀芯以碳化钨为基 ， 用 钴作粘 结剂 ， 经压制、 烧结而成 的， 其加工制造工艺 粉末 制造一掺胶制粒一模具压制成型一半成品加工 脱胶一烧结成型 1 5 0 0 o C真空烧结 成 品加工。 早期试制的碳化钨硬质合金 阀芯采用抛物线 型结构， 这种结构调节性能好 ， 但外形结构较为复 杂， 制造加工较 为困难。由于碳化钨硬 质合金加 工工艺的局 限性 ， 抛物线型碳化钨 硬质 合金阀芯 在制造时废品率较高， 废品率超过 5 0 ％ ， 致使碳化 钨硬质合金 阀芯 的制造成本很高。为了保证 阀门 使用性能的同时尽 可能的降低 成本 ， 我们 通过深 入 的分析研究并经过 多次试验 ， 最终将 高温掺合 阀阀芯设计成 圆锥 型结构 见图 4 ， 即阀芯外形 为圆锥形 ， 圆锥锥角 o t 为 3 0。 ～6 O。 ， 阀芯 内部为 空心结构 ， 以减轻 阀芯重量。圆锥 型结构 阀芯具 有结构简单 、 体 积小 、 重量轻等优点 。 圆锥型结构 芯外形为圆锥形 ， 结构简单 ， 便 于加工制造 ， 加 工 制造 时成品率可控制在 9 5 ％ 以上 ， 极大地降低 了 阀芯的制造成本 ； 与抛物线型结构 阀芯相 比， 圆锥 型结构阀芯体积小、 重量轻 ， 同一规格阀芯 圆锥型 结构要 比抛物线型结构轻 1 0 ％ 一 2 0 ％ 。相对于抛 物线型阀芯来讲 ， 圆锥 型阀芯调节性能略差 ， 但 完 全能满足高温掺合阀生产调节的需要。在设计阀 芯时根据高温掺合阀的热流 口径及阀门行程来确 定阀芯圆锥锥角 的大小 。热流 口径越小 ， 阀芯圆 锥锥角越小 ； 阀门行程越大 ， 阀芯圆锥锥角越小。 图 4 碳化钨硬质合金 阀芯 碳化钨硬质合金阀芯单件制造成本较高， 其 制造成本约为 1 C r 2 5 N i 2 0 S i 2 T A一2 1 8 阀芯 2 2 ． 5 倍， 但碳化钨硬质合金阀芯的使用寿命长， 是 1 C r 2 5 N i 2 0 S i 2 T A一 2 1 8 阀芯的 3倍以上 J 。 在确保装置安全 长周期运行 的前提下 ， 碳 化钨硬 质合金阀的性价 比最好 。 目前 ， 碳化 钨硬质合金 阀芯已在中石化及地方炼油厂共计十余套装置上 投用 ， 投用最长时间已连续运行超过 2 6个月 。 综上所述， 第Ⅲ套方案的调节性能较好， 使用 寿命长， 在生产装置中得以采用。 参考文献 [ 1 ] 中 国石 油 和石 化工 程 研究 会 编著． 炼 油设 备 工程 师 手册 [ M] ．北京 中国石化出版社 ， 2 0 0 3 ． [ 2 ] 徐灏主编． 机械设计 手册 第 二版 [ M] ． 北 京 机械 工业 出 版社 ， 2 0 0 3 ． [ 3 ] 陆培文主编． 实用阀门设计手册 [ M] ． 北京 机械工业出版 社 ， 2 0 0 4 ． [ 4 ] 董均果主编． 实用材料手册[ M] ． 北京 冶金工业出版社， 2 O o o． ‘ 塔他雀蠛 ‘ 我国已拥有有效专利2 7 4万件 近 日， 国家知识产权局发布了 2 0 1 1 年中国有效专利年度报告 以下简称 报告 。 报告 显示， 截至 2 0 1 1年底， 我 国有效专利共计2 7 4 ． 0万件， 其中国内所 占比重连年提高 ， 已达 8 4 ． 1 ％。 报告 还指出， 尽管国内有效专利数量增长较快， 但与国外相比仍存在差距。统计显示， 国内有效发明专利中有 8 ． 2 ％ 维持时间在 1 0年以上， 而国外这一比例达到 3 2 ． 8 ％； 从数量上看 ， 国外维持 l 0年以上的有效发明专利量是国内的近 4倍， 特别在部分高新技术领域， 国外是国内的十几倍。2 0 1 1年失效的发明专利中， 国内平均维持年限不足7年， 国外则超过 1 0年。 2 0 1 2 0 51 0