加氢装置用高压力级锻钢闸阀的研制.pdf

2 0 1 5年 7月 第 4 3卷 第 1 4期 机床与液压 MACHI NE T00L HYDRAULI CS J u 1 ． 2 01 5 Vo 1 ． 4 3 No ． 1 4 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 5 ． 1 4 ． 0 4 0 加氢装置用高压力级锻钢闸阀的研制 马敏莉 ，陈崇南 ，张百灵 1 ．南通职业大学机械工程 学院，江苏南通 2 2 6 0 0 6 ；2 ．南通高q - 压阀门有限公 司，江苏南通 2 2 6 0 0 2 摘要针对加氢装置用高压力级锻钢闸阀的工况条件、设计与研制难点，进行了阀体通用化结构、密封填料系统 、密 封填料检测系统等关键部件的设计 ；控制了原材料进货检验、焊接加工、密封试验装备的配套设计等关键过程。压力试验 结果和客户使用情况说明，研制的加氢装置用高压力级锻钢闸阀能适应苛刻的工况条件。同时对加氢装置用高压力级锻钢 闸阀的主要设计参数、设计规范、压力试验等进行了阐述。 关键词加氢装置高压力级锻钢闸阀 ． 中图分类号T H1 3 4 文献标志码B 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 5 1 4 1 1 9 5 De v e l o pme n t a nd M a n uf a c t ur e o f Hi g h Pr e s s ur e Le v e l Fo r g e d- s t e e l Ga t e Va l v e f o r Hy d r O g e na t i O n De v i c e MA Mi n l i ， CHEN Ch o n g n a n ． ZHANG Ba i l i n g 1 ． S c h o o l o f M e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ， N a n t o n g V o c a t i o n a l U n i v e r s i t y ，N a n t o n g J i a n g s u 2 2 6 0 0 6 ，C h i n a ； 2 ． N a n t o n g H i g h Me d i u m P r e s s u r e V a l v e C o ． ，L t d ． ， N a n t o n g J i a n g s u 2 2 6 0 0 2 ， C h i n a Ab s t r a c t On a c c o u n t o f t h e o p e r a t i n g c o n d i t i o n s ，d e s i g n a n d d e v e l o p me n t d i f fi c u l t i e s o f t h e h i g h p r e s s u r e l e v e l f o r g e d s t e e l g a t e v a l v e u s e d f o r h y d r o g e n a t i o n d e v i c e ，t h e g e n e r a l s t r u c t u r e o f v a l v e b o d y 。p a c k i n g s y s t e m a n d s e a l i n g fi l l e r d e t e c t i o n s y s t e m w e r e d e s i g n e d ． T h e k e y p r o c e s s e s a b o u t r a w ma t e r i a l i n c o mi n g i n s p e c t i o n ，w e l d i n g，c o r r e s p o n d i n g d e s i gn o f s e a l i n g t e s t e q u i p me n t we r e c o n t r o l l e d．Pr e s s u r e t e s t r e s u hs a nd c us t o me r s u s i ng e f f e c t s ho w t ha t t he d e v e l o p e d h i g h p r e s s u r e l e v e l f o r g ed s t e e l g a t e v a l v e us e d for h y d r o g e n a t i o n d e v i c e c a n a d a p t t o t h e h a r s h o p e r a t i n g c o n d i t i o n s ． Al s o t h e ma i n d e s i g n p a r a me t e r s ，d e s i g n s p e c i fi c a t i o n a n d p r e s s u r e t e s - ri n g o f t h e h i g h p r e s s u r e l e v e l f o r g e d s t e e l g a t e v a l v e w e r e i l l u s t r a t e d ． Ke y wo r d Hy d r o g e n a t i o n de v i c e；Hi g h p r e s s u r e；Fo r g e d s t e e l g a t e v a l v e 闸阀作 为 管线 上 闭路 装 置 ，在石 油 、化工 、电 力、城建和工业企业的给排水、供热及供气系统中有 着广泛 的应 用 。但 在 炼油 行业 的石 化加 氢 高端 市 场 中，由于高压加氢装置具有高温 、高压 、临氢和高腐 蚀性的特点，其配套使用的管道阀门目前还大都依赖 进E l 。因此加氢装置用高压级锻钢闸阀的研制对于提 升我国石化加氢技术装备水平、节省国家经济资源具 有重要意义 。 近几年 ．国内的一些技术人员对加氢装置用阀门 的关键技术如 阀门泄漏 、材料选用等进行了研究 ，取 得 了一系列 的进展和成果 。相关研究 中，岳进才等对 1 4 ～ 2 0 M P a 加 氢装 置 用 阀门 的 内、外漏 控 制方 面 进 行 了研究 ．发现采用柔性石墨编织填料 、将 环垫片与 阀盖 的接触面设计成变角度圆弧过渡面等 ，可解决填 料 、垫片密封外漏 ；在密封面上堆焊硬质合金等可解 决闸 阀的内漏 问题 _ 1 ] 吴伟 阳等对 9 ～ 1 6 M P a 加 氢脱 硫等加氢装置用 阀门的主体材料选用 、阀门密封等方 面进行 了研究 ，发现采用加稳定 化合金元 素 T i 或 N b 的 “ 稳定型不锈 钢”C F 8 C 、F 3 2 1 、F 3 4 7 、0 C r l 8 N i 1 0 T i 材料 可降低 C对钢抗 氢腐蚀 的不 利影 响 ，采用 密 封 可靠 和装拆 方便 的填 料结 构 形式 和 内压 自封 式 阀 门 的中 口垫 可解决 阀 门外漏 等 问题 心 ] 。 以上研 究涉 及 3 ～ 2 0 M P a 加 氢 装 置用 阀 门的研 制 。 目前 有关 加 氢 装 置用高压 级 1 5 ～ 7 6 M P a 锻 钢 闸 阀的研 制鲜 有 报 道 。 文 中针对 加氢 装 置用 高压 级 锻钢 闸 阀 的工况 条 件 、设计与研制难点 ，进行 了阀体通用化结构 、密封 填料 系统 、密封填料检测 系统等关键设计 ；控制 了原 材料进货检验、焊接加工 、密封试验装备的配套设计 等关键过程。压力试验和客户使用情况说明，研制的 加氢装 置 用 高 压 力 级 锻 钢 闸 阀能 适 应 苛 刻 的工 况 条件 。 1 工况 条件 加氢装 置 的工作 介 质一 般 为 氢气 、氢气 加硫 化 氢 、油气加氢气加硫化氢 ，属易燃 易爆介质 。氢气是 一 种 能渗透到金属材料内部并在常温或高温下引起材 料变性 恶化的介质， 常温下能引起金属材料的变 性和恶化。 高温下能导致金属材料 内部和外部脱碳。 硫化 氢对金 属材料 的腐蚀 也十分严重 ，常温下它能 引 起许 多金属 材料 的应力腐 蚀开裂 ， 高 温下它能引起金 收稿 日期 2 0 1 4 0 6 0 8 作者简介 马敏莉 1 9 6 5 一 ，女 ，硕士 ，副教授 ，研究方 向为 阀门设计与材料焊接。E m a i l 1 7 1 0 5 1 3 0 5 0 q q ． e o m。 机床 与液 压 第 4 3卷 属材料的快速均匀腐蚀。工作时其介质最高温度达 化应力裂纹的金属材料 、N A C E MR 0 1 3 0 2 0 0 3 腐 5 5 0 o C．最高压力达 4 2 M P a 。 蚀性石油精练环境中抗硫化应力开裂的材料等。 2 设计与研制难点 检验和试验应符合 A P I 5 9 8 ． 2 0 0 9 阀门的检查和 加氢装置在高温高压下临氢并伴随硫化氢操作， 试验 。 所有的这些特点都对高压加氢阀门的材料、结构等提4 主体与内件材料选择 出了苛刻的要求。在设计与研制过程中需解决以下 4 加氢阀门腐蚀严重 ，是多种腐蚀共 同作用的结 个难点 1 主体与内件材料选择 ； 2 主体零件 果，因此需根据不同的介质环境如 P H值 、H s浓度 结构设计与制造； 3 防漏密封设计 ； 4 关键过 和温度分别选用抗硫化物应力腐蚀开裂 简称 S S C 程控制包括密封试验装备的配套设计等。 及氢致开裂 简称 H I C 性能较好的材料。 3 主要设计参数与设计规范 对温度不大于 3 5 0℃的湿 H s 介质系统环境可选 3 ． 1 设计 参数 用一般 碳 钢 如 WC B ／ A 1 0 5 或 合 金 钢 如 WC 6 ／ 技术参数 公 称通径 D N 5 0 ～ 3 0 0 m m；公称 压力 F 1 1 、WC 9 ／ F 2 2 。 1 5 ～ 7 6 M P a 。 对温度不小于 3 5 0 q C，特别是高温 H 加 H s环 适用温度一 2 9 ～ 4 2 7℃ 境 ，所选材料的腐蚀速率不宜超过 0 ． 2 5 m m ／ a，此 3 ． 2 设计与检验规 范 外还需考虑 H 离子对金属材料脱碳的影响，可选用 设计和制造应符合 A P I 6 0 0 ． 2 0 0 9 钢制闸阀 C F 8 C ／ F 3 2 1 F 3 4 7 等稳定型奥氏体不锈钢或 C F 3 ／ 法兰 连 接 端 和 对 焊 端，螺 栓 连 接 阀盖 、A S M E F 3 0 4 L等超低碳奥氏体不锈钢。 B 1 6 ． 3 4 ． 2 0 0 9 法兰端、螺纹端和焊接端阀门 。材料 为了装置和阀门的安全可靠， 设计时主体材料与 选用时需参考 N A C E MR 0 1 7 5 ． 2 0 0 2 油 田设备用抗硫 内件材料应配对 ，在设计选材时采用表 1 的规定。 表 1 主体材料 与内件材 料的选择 阀体 A S T M A 2 1 6 WC B ／A S T M A1 0 5 填料垫 阀座 阀瓣 阀杆 密封圈 中法 兰螺 栓／ 螺母 填料 AS TM A1 0 5 AS TM A1 0 5STL 6 AS TM A21 6 W CBS TL6 ／ AS TM A1 0 5STL 6 AS TM A1 8 2 F6 a CL2 AS T M A2 1 7 W C 6 ／ AS TM A1 8 2 F1 1 CL2 AS TM A1 8 2 F1 1 CL2 AS TM A1 82 F1 1 CL2S TL6 ASTM A21 7 W C6S TL6 ／ AS T M A1 8 2 F1 1 C L 2 S T L 6 AS TM Al 8 2 F6a CL2 柔性石墨 圈 3 0 4 AS T M A3 5 l C F 8 C ／ A S T M A1 8 2 F3 2l F3 4 7 AS TM A1 8 2 F321 F 3 47 AS T M A1 8 2 F3 2 1 F 3 4 7 S T L 6 AS TM A35 l CF8 CsTL l AS T M A1 8 2 F 3 2 1 F 3 4 7 S T L 6 AS TM A1 8 2 F3 21 F 3 47 柔性 石墨圈 3 2 1 3 4 7 ASTM A1 9 3 B7M／ AS T M A1 9 3 B1 6 ／ AS T M A1 9 4 4 A S T M A1 9 3 B S ／ AS T M A1 9 4 8 AS TM A1 9 4 2 HM 含碳量大于9 9 ． 7 ％，耐温高于 6 1 0 q C，摩擦因数小于0 ． 1 ，缓蚀剂耐温高于 7 0 0℃， 不锈钢丝直径不小于 0 ． 1 mm。每股内含钢丝不少于3根 5结构设 计 采用压力 自密封 阀盖结构 ，以 D N 2 0 0 m m、P N 2 5 MP a 锻钢闸阀为例 ，其结 构简图如图 1 所示 。闸板设 有单 闸板 、双平行式及双分开锲式 闸板 3种结构 阀 座设有锲式或平行双 阀座两种结构等 。 5 ． 1主体零 件 结构 5 ． 1 ． 1 主体零件 结构设计 由于高压加氢装置的工况条件对其介质材料本身 存在的缺陷比较敏感 ，如果材料中有非金属夹杂 、夹 渣 、气孑 L 、裂纹等不连续缺陷，容易导致氢气 的积 聚， 常温下会因其形成的局部高压而引起氢变形 ， 甚 至诱发微裂纹，同时也会使材料脆性恶化 氢脆 。 高温下 ， 这些缺陷更利于氢致 内部脱碳 的进行 ， 从而 加快 材料氢腐蚀破 裂的进 程。而硫化氢介质则对材料 的外部不连续缺陷比较敏感 ， 尤其是在湿硫化氢环境 下 ， 外部的不 连 续缺 陷往往 成 为应 力腐 蚀 开 裂 的诱 因。因此 ， 针对加氢阀的工况条件，对主体零件如阀 体、阀盖等均采用组织致密的锻造结构。为了防止由 于介 质中的 P H值 、H ， S浓度 和应力 等因素造 成阀 门 应力集中薄弱 区域 出现 硫化 物应 力腐蚀 开 裂 简称 S S C 的情况 ，在阀体等零件结构设计时，对拐角处 最大限制地加大过渡区圆角半径 ，使阀体壁厚从小到 大平缓过渡 ，与介 质接触 的内部结构不 出现尖 角 ，全 部用圆角过渡。 5 ． 1 ． 2 阀体零件结构工艺性分析及通用化结构设计 加氢装置用高压力级锻钢闸阀研 制过程中最大问 题是阀体锻件的形式。由于我国多向模技术在阀体上 的应用 尚处于起步阶段 。D N 1 5 0 m m以上 的阀体多 向 模锻造设备仍为空白，所以阀体锻件的结构工艺性相 对较差 。同时多 向模制造成本非常昂贵 ，依靠 单个 阀