重油加氢装置高压球阀的设计.pdf

自动化与仪器仪表 2 0 1 5 年2 期 总第 1 8 4 期 重油加氢装置 高压球 阀的设计 李宏伟，周忠云 重庆川仪调节阀有限公司 重庆，4 0 0 7 0 7 摘要重油加氢装置具有高温、 高压、 l 临氢、 含硫化氢的特点， 苛刻的工况对重油加氢装置阀门的设计提出了更高的要 求。本文以控制热高分油的高压球阀为例， 从设计标准， 材料选择， 结构设计和计算校核四个方面阐述重油加氢装置高压球阀 的设计方法。 关键词高压球阀； 加氢工艺； 热高分油 D OI 编码1 0 ． 1 4 0 1 6 ． c n k i ． 1 0 0 1 ． 9 2 2 7 ．2 0 1 5 ． 0 2 ． 0 4 1 A b s t r a c t T h e f e a t u r e s o f h e a v y o i l h y d r o g e n mi o n e q u i p me ri t a r e h i 曲 t e mp e r a t u r e ， h i 曲 p r e s s u r e ， h y d r o g e n p r e s e n t a n d h y dro g e n s u l fi d e c o n t a i n i n g ． Th e h ars h wo r k i n g c o n d i t i o n p u t s f o r wa r d h i g h e r r e q u i r e me n t s f o r t h e d e s i g n o f o i l h y dro g e n a t i o n e q u i p me n t ． Th i s a r t i c l e p r o v i d e a h i g h p r e s s u r e b a l l v a l v e c o n t r o l l i n g h o t h i p r e s s ur e s e g r e g a t o r o i l f o r e x a mp l e ， t h e d e s i g n me t h o d o f h e a v y o i l h y d r o g e n a t i o n u n i t v a l v e h a s b e e n s tud i e d i n fou r r e s p e c t s ， d e s i g n s t a n d a r d ， ma t e r i a l s e l e c t i o n ， s t r u c tur a l d e s i g n a n d c h e c k - i n g c a l c u l a t i o n． Ke y wo r d s Hi g h p r e s s u r e b a l l v a l v e ； Hy dro g e n a t i o n p r o c e s s ； Ho t h i - p r e s s u r e s e g r e g a t o r o i l 中图分类号T H 8 6 文献标识码B 文章编号1 0 0 1 - 9 2 2 7 2 0 1 5 0 2 - 0 0 4 1 0 3 0 引 言 重质原油通过加氢工艺可扩大原油的加工适应性，提高轻 油回收率 ，改进油品质量 ，减少环境污染。从经济效益，保护 环境及节约资源的角度 ，重油加氢技术在石油产品精制、改质 和重油加工过程中，起着非常关键的作用。然而，加氢工艺具 有高温、高压 、临氢、含硫化氢的特点，苛刻的工况对加氢装 置阀门的设计提出了更高的要求。 1 阀门参数 以控制热高分油由热高分流向热低分的高压球阀为例。高 压球阀使用参数见表 I 。 表 1 高压球阀使用参数 用途 介质名称 介质状态 公称匿力 公称通径 操作压力 MP a 操作温度 o c 全关时压力降 MP a 泄漏等级 2 阀门设计 2 ． 1 设计标准 阀门的 “ 压力 一温度等级”参考 A S ME B 1 6 ． 3 4 法兰、 螺纹和焊连接的阀门 。阀门的结构长度参考A S ME B 1 6 ． 1 0 阀门结构长度 。阀门的试验参考A P I 5 9 8 阀门的检查和 试 验 。 材 料 的 抗 硫 化 物 应 力 腐 蚀 处 理 参 考 N A C E 收稿 日期 2 0 1 4 1 2 2 8 作者 简介 李 宏伟 1 9 8 3 一 ，男 ，内蒙古赤峰人 ，学士学位 ，助 G-Y - 程师，主要从事自 动控制球阀结构及工艺研究工作6 年。 MR 0 1 7 5 2 0 0 3 油田设备用抗硫化物应力腐蚀断裂和应力腐蚀 裂纹的金属材料 。 2 ． 2 材料选择 热高分油介质中含有H 、硫化氢、C l 离子和酸性物质等， 操作温度高达 2 6 0 C 。临氢工况 ，氢气会对阀门造成氢脆 、氢 蚀及氢化物氢脆等氢损伤影响。在含有c l 离子的腐蚀介质中， 奥氏体不锈钢容易受应力 残余应力或施加的应力和腐蚀的 共同影响，发生应力腐蚀开裂。操作温度 2 6 0 ％阀门会受到高 温H H S 腐蚀，导致阀体腐蚀减薄甚至穿孔。 综上所述，对于热高分油这种复杂的腐蚀介质，为阀门选 择正确的材质至关重要。 阀体材质 3 2 5 5 0 A S T M F 6 1 高合金型奥氏体一 铁素 体双相不锈钢，锻件毛坯。 3 2 5 5 0 含2 5 ％C r 并含有钼和氮，具 有 良好的耐氯化物应力腐蚀能力、良好的耐孔蚀性能和耐腐蚀 疲 劳I 生 能 。 阀杆材质 2 0 9 1 0 氮强化奥氏体不锈钢 ，硬度 H R C 3 5 。 2 0 9 1 0 在抗硫化物应力腐蚀开裂和耐晶间腐蚀方面表现优良， 常温下屈服强度几乎是 3 1 6 、3 1 6 L的两倍 ，高温下也具有非常 好的机械性能。 球芯材质 基体材质S U S 3 1 6 奥氏体不锈钢，喷焊材质镍 基自熔性合金。镍基 自熔性合金具有耐磨 、耐热 、耐腐蚀和耐 气蚀的特点，采用热喷焊方式可形成几毫米厚的合金层，喷焊 层组织致密，冶金缺陷少，与基材结合强度高 约为热喷涂的 1 0 倍 。 阀座材质 基体材质S U S 3 1 6 奥氏体不锈钢，堆焊材质司 太立耐热耐磨硬质合金。司太立硬质合金的耐磨 、耐热和耐腐 蚀性优良。堆焊层与基体材质的结合属于冶金结合 ，结合强度 高，抗冲击性能好。 弹簧材质N 0 7 7 5 0 I n c o n e l x 一 7 5 0 沉淀硬化镍基高温 4 1 关 舳 体 粼 啪 池 ∞ 一 Cu A 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 重油加氢装置高压球阀的设计李宏伟 ， 等 合金，固溶处理后再冷作时效处理，硬度H R C P 2 s 2 F 时，弹簧将被压缩 ，阀座与球芯分离，中腔 的高压介质通过球芯与阀座分离产生的间隙泄放 ，实现压力自 排放功能。 整体式阀杆防吹出结构 见图3 阀门内腔介质压力对阀 杆有个向上的推力作用，当该推力大于阀杆与填料之间的摩擦 力时 ，阀杆将被吹出阀体。阀杆防吹出结构可避免该隐患发 生。与对开环式防吹出结构相比，整体式阀杆防吹出结构强度 更好，承受的介质压力更高。该结构配合石墨止退垫圈使用还 可以实现阀门的上密封功能，阀门可以在线更换填料。 动载压板结构 见图4 动载压板结构的原理是通过在填料 压板螺栓位置安装碟形弹簧，来为填料组件提供持续的加载力， 保证阀杆和填料之间持久紧密密封，防止高压介质逃逸泄漏。 [ 目 7 - 图3 整体式阀杆防吹出结构 图4 动载压板结构 4 2 4 计算校核 结构参数 球体流道直径D 1 5 0 mm；球体半径R 1 2 0 m m；球面距L 1 8 7 m；设 计 压力 P 1 7 ． 8 MP a ；进 口端 阀座 活 塞外 径 D 1 9 0 mm；阀座密封面外径D 1 7 2 m m；阀座密封面内径 1 6 0 mm；密封面压力角 4 4 。 ；阀杆直径D 6 0 m m；球体轴颈 直 径 d 。 ， 9 0 m m；填 料 宽 度 b 1 0 m m；密 封 面 投 影 宽 度 h 6 m m；密封面宽度b M 8 ． 5 ram。 4 ． 1 球体半径和球 面距的校核 球体半径 R与球体流道直径 D的关系为 R 0 ． 8 ～0 ． 9 5 d 1 2 0 ～1 4 2 ． 5 。球体半径R 1 2 0 mm符合要求。 球面距 L 与球体直径 2 R和球体流道直径D的关系为L 2x ／ - D 2 x ／ 2 4 0 2 - 1 5 0 2 1 8 7 ． 3 ，球面距L 1 8 7 ra m符合要求。 4 ． 2阀座密封 比压的校核 1 钢与硬质合金的必须密封比压为q u r 3 ． 5 P ， √ I 1 0 。 式中 P为设计压力 ，1 7 ． 8 MP a ； b 为密封面宽度，8 ． 5 m m； 代人数据 ，可得q M e 2 3 M P a 。 2 球阀的阀座密封方式为支撑板固定球阀前密封，其阀 座计算比压 q p D 一 0 ． 6 D 一0 ． 4 ／ 8 g h c o s tp 式 中 D 为进 口端阀座活塞外径，1 9 0 mm； D 为阀座密封面外径，1 7 2 mm； D 为阀座密封面内径 ，1 6 0 m m； h 为密封面投影宽度，6 m m； 为密封 面压力角 ，4 4 。 ； 代人数据，可得q 3 8 ． 3 MP a 。 3 镍基合金在密封面有滑动摩擦时的许用比压为【 q 】 8OMPa。 为实现球芯与阀座之间的金属密封 ，须有g q 【 q ] 。根据 上述计算校核可知，阀门的结构设计参数满足密封要求。 4 ． 3 摩擦力矩的计算 支撑板固定球阀前密封球阀的摩擦力矩包括四部分阀座 对球芯的预紧力产生的摩擦力矩M。 G t ；介质工作压力产生的摩 擦力矩 ；填料与阀杆之间的摩擦力矩M ；轴承与球芯轴 颈之间的摩擦力矩M 。 阀 座 对 球 芯 的 预 紧 力 产 生 的 摩 擦 力 矩 M∞l 斌 g D 一D 1 c o s cp ／ 4 式中 q 为最小预紧 比压 ，3 MP a ； 为一球芯与阀座的摩擦系数，0 ． 1 2 ； 代人数据，可得 a G t 2 3 2 N ． I n 。 介质工作压力产生的摩擦力矩 。 G 2 D -0 ．5 D 2 -0 ． 5 D 1 c o s ／ 8 c o s q 下转第4 8页 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m