炼油装置仪表测量管路用阀门种类的选用.pdf

仪器仪表与应用 石 油 化 工 自 动 化 ，2 O 1 O ，6 6 1 AUT0M ATI ON I N PETR0一 CHEM I CAL I NDUS TRY 炼 油装置仪表测量管路用 阀门种类 的选用 杨 刚 中国石 化工 程建设公 司仪表 自控室 ， 北京1 0 0 0 1 1 摘 要 阀门是仪表测量管路中最关键的组成部分， 其性能直接影 响到整个测量管路系统 的可靠性。由于工艺介质的温度、 压力和物理化学性质上的差异 ， 以及 阀门在测量管路中所处的位置不 同， 对于阀门的性能和使用要求有很 大区别 。加工高硫 和高 含酸原油炼油装置的长周期安全运行 以及装置 的大型化 ， 对仪表测量管路 的设计提 出更 高的要求 。设计人员应充分 了解各种类 型阀门的功能特点 ， 针对不 同的应用场合进行选用 ， 重点介绍 了仪表测量管路 中阀门的类型和选用 。 关 键 词 测量管路 ； 阀门 ； 结构特点 ； 阀门选用 中图分类号 T P 2 1 4 文献标志码 B 文章编号 1 0 0 7 7 3 2 4 2 0 1 0 0 6 0 0 6 1 0 4 0 引 言 在仪 表测 量管 路 中 ， 阀 门是保证 仪 表可靠 测量 的最重要 部件 ， 也是 操作 频繁 、 故 障率最 高 的部件 。 以往为了设计的简便和减少仪表材料的种类 ， 测量 管路 中仪表阀门的选择种类 比较单一， 基本以截止 阀为主 。随着石 油炼 制工业 的迅速发 展 和进步 ， 加 工 高硫 和 高含 酸原 油 炼 油装 置 的长 周期 安 全 运 行 以及装 置 的大型 化 ， 对 仪表 测量 管路 的设计 提 出 了 严格 的要求 。由于 截 止 阀 的结 构 特 点决 定 了其 应 用 的局 限性 ， 因此 如何 针对 不 同的应用 场合 选用 适 宜的阀门是仪表工程师越来越关注 的问题 。所用 阀 门的结 构是 否合 适 ， 直 接关 系 到仪表 测量 管路 的 安 全运行 和仪 表测 量 的精 度 ， 经 济 是 否合 理 ， 也影 响着 建设 投资 和 运 行 费用 。该 文重 点 对 测 量 管路 中阀 门种 类 的选 用进 行探 讨 。 1 阀 门的种 类及特 点 目前炼油装置 中常用 的仪表测量 阀门种类有 截止 阀 、 闸阀 、 球 阀 和止 回阀等 。 1 ． 1 截止 阀 1 ． 1 ． 1 结构 形式 截 止 阀是 阀芯 由 阀杆 带 动 沿 阀座 轴线 做 升 降 运 动 的阀 门。截 止 阀按 结 构 形 式不 同又 分 为 直 通 形 阀 、 直 流形 Y形 阀、 针 形 阀和仪 表 阀组 ， 如 图 1 所示 。 一 a T形截止 阀 b Y形截止阀 c 针形截止 阀 d 仪表 阀组 图 1 截止 阀结 构形 式 a 图 l a 所 示 的直 通形 T形 阀是 截止 阀中最 常用的结构形式 ， 介质的进 出 口通道在 同一水平 方位 上 ， 其 流道结构导致流体通过 阀门时压力降较大 。 b 图 l b 所示 的直流 形 Y 形 阀 的 阀座 和 阀 芯 中心线 与 阀体水 平 中心线 呈 4 5 。 夹 角 ， 其 介 质 流 向为从 阀芯下 方 进 入 ， 当 阀芯 开 启 后 ， 介 质几 乎沿 着阀门通道 的水平线方向流出， 故称之为直流式 。 c 图 l c 所 示 的针 形 阀结 构 与 T 形截 止 阀相 似 ， 不 同 的是 阀芯 为锥 形 针状 ， 阀杆通 常用 细 螺纹 以取得 微量 调节 效果 。 d 图 l d 为仪表阀组的局部剖图， 仪表阀组实际 上是多个互通 的 T形截止 阀或针形 阀的组合 ， 按 照组 成阀门的数量不 同分为两阀组 、 三 阀组 和五阀组 。 1 ． 1 ． 2特点及 应用 截止阀可以改变流体通道的截面积 ， 即可用于 收稿 日期 2 0 1 0 一 O 6 一 O 8 。 作者简介 杨刚 1 9 7 2 一 ， 男， 四川达县 人 ， 1 9 9 3年 毕业于 北京工商 大学 工业 电气 自动化专业 ， 工学学士 ， 现在中国石化工程 建设公 司仪 表室 从 事石 油化 工 自动 化工 程 设计 工作 ， 任 高级 工 程 师 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 石油化工 自动化 截断 也可用 于节 流和调 节压 力或 流量 ， 是 仪 表测量 管路 中最 常用 的阀 门。截止 阀是 强制 密封 阀 门， 阀 门关 闭时必须 使 阀芯 压 紧 阀座 。阀 门关 闭 时需 要 克服 的阻力 是 阀杆 和填 料 的摩擦 力 以及 介 质压 力 在 阀杆 截面上 的推 力 ， 由于密 封力 和介质 压力 在 同 一 轴线 上， 所 需 的密封力 较大 ， 密封 容易 泄漏 ， 启 闭 行 程长 ， 较为 困难 。 a T形截止阀结构简单 ， 启闭时间短， 但流道 复 杂 ， 阀门通 径相 对 较小 ， 密 封 面 问容 易 夹住 介 质 中的 固体 颗粒 。 b Y形 截 止 阀 的 流体 阻力 较 小 ， 适 用 于 含 固 体颗粒或黏度大的流体 。Y形截止阀的启 闭行程 更长 ， 制造 、 维修 、 安装 和操 作复 杂 ， 造 价也 比较 高 ， 一 般 用 于高压 场合 。 C 针 形 阀可 以作 为 精 确 的 流 量 限制 用 ， 但 流 通能力很小， 容易堵塞 ， 一般用于测量管路截止、 分 支、 终端等场合 ， 也用于分析仪采样 系统等需要 微 量调 节、 工艺介质洁净的场合 。 d 仪 表 阀组结 构紧凑 ， 操 作方 便 ， 一 般与 现 场 仪表 直接安 装在 一起 ， 可 以减 少安 装空 间和 中问管 件的数量 ， 有很好的密封性和调节性。但仪表阀组 结构 比较单一， 多采用针形阀芯和螺纹阀盖 ， 这种 结构不应直接用于黏稠 、 脏 污、 高危 害介质以及温 度 变化 频繁 等苛 刻工况 口 ] 。 1 ． 2 闸 阀 1 ． 2 ． 1 结构 形式 闸阀是指 闸板 由阀杆 带动 ， 沿 阀座 密封面做 升 降运动 的阀 门 。按 闸板 形 式 不 同又 分 为 楔式 闸板 阀和平行 式 闸板 阀 ， 如 图 2所 示 。 图 2 a 所 示 的 楔 式 闸 板 密 封 面 与 闸板 垂 直 中 心 成一定 倾 角 ， 称 为楔半 角 。楔式 闸板 又分为楔 式 单 闸板 和楔式 双 闸板 。 图 2 b 所示 的平 行式 闸板 的两个 密 封 面平 行 ， 阀座密封 面垂 直 于 管道 中心 线 。平 行 闸板 中间 有 一 对楔形嵌块。平行闸板又分为平行式单 闸板和 平行式双闸板 。 l a 楔式双闸板 阀 b 平行双闸板阀 图 2 闸 阀的结构 形式 1 ． 2 ． 2特点 及应 用 楔形 闸阀密 封性 能较 差 、 行 程省力 、 通 道简单 、 流通 面积 大 、 流 体 阻力 小 ， 但 尺 寸大 、 结 构 复杂 、 加 工 困难 、 密封 面 易 磨损 、 容 易 泄 漏 、 不 易维 修 、 启 闭 时间长 。尤其在高压场合， 在流体推力 的作用下 ， 闸板 与阀座 的摩 擦力 非 常大 ， 阀 门开 启 困难 ， 密封 面 磨损情 况也 比较 严 重 。 闸 阀一般 适 用 于 全开 或 全 闭 ， 不 能作 调节 和节 流使用 。 楔形 闸板 闸阀靠楔 形挤 压密 封 ， 在 流体压 力不 高时也能达到一定的密封效果 。但楔形闸阀在高 温场合由于热膨胀等原因， 容易出现闸板与阀座卡 紧 ， 难 以开启 的情况 。 由于平 行 单 闸板 阀 自身无 法达 到强 制密封 ， 目 前 已很少使 用 。平 行 双 闸板 阀靠 平 板 间 楔形 嵌 块 外推 密封 ， 密封 效果 很好 。由于楔形 嵌块 与平行 双 闸板问的动配合作用 ， 可以实现关闭严密 、 开启省 力 。 由于平 行 双闸板 阀在 关 闭和开启 过程 中 ， 与 阀 座直接 开合 ， 没 有相 互 摩 擦 ， 可 以达 到很 好 的密 封 效果 ， 使用 寿命 较长 。 1 ． 3球 阀 1 ． 3 ． 1 结 构形 式 球 阀的启闭件为一球体 ， 围绕阀体 的垂直中心 线做旋转运动。按 阀体结构分为两片式、 三片式 、 顶 装式 ； 按装 配形 式分 为螺 纹装 配 、 法 兰装 配 ； 按 阀 芯 结构 形式 分 为 浮 动 球 阀 和 固定 球 阀 ， 如 图 3所 示 ； 按 照 阀座密封 材料 分为硬 密 封 金 属密 封 球 阀 和软密封球阀等多种类型。 如图 3 a 所示 ， 浮动球的球体是可浮动的， 在介质 压力的作用下球体被压紧到出口侧的密封圈上。 如图 3 b 所示 ， 固定球的球体被上下两端的轴 承 固定 ， 通过 能产 生 推 力 的 浮动 阀座 ， 使 密 封 圈压 紧 在球体 上 。 a 浮动球阀 b 固定球 阀 图 3 球 阀的 阀芯结 构形式 1 ． 3 ． 2 特 点及应 用 球阀有操作简便 、 启 闭迅速 、 密封性好 、 可 自清 洗 、 阀位标示 明显等优点 ， 近年来得到了越来越广 泛 的应用 ， 并 有逐 步取代 闸阀和截 止 阀的趋势 。浮 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 6期 杨 刚． 炼油装置仪表测量管路用阀门种类的选用 动球的结构简单 ， 一般为单侧密封 ， 密封效果好 ， 但 启 闭力 矩 大Ⅲ 2 ] 。固定 球 启 闭 省 力 ， 但 结 构 复 杂 ， 外 形尺 寸大 ， 造价 昂贵 ， 一般 只用 于高压 大 口径场 合 。 在仪表 测量 管路 中一般 多采 用 浮动球 阀。 软 密 封球 阀的 阀 座密 封 材料 主要 采用 聚 四氟 乙烯、 石墨、 混合材料等 ， 阀门的工作温度与密封材 料 有关 ， 不能太 高 。 同时软 密封球 阀一 般应 采取 防 静 电措施 l 3 ] ， 在 易 燃 、 易爆 介 质 的场 合 使用 时 还应 采取 防 耐 火结 构 ] 。 由于 阀 门制 造 技 术 的 不 断 进步 ， 硬密 封球 阀 已 经 可 以做 到 严 密密 封 ， 适 用 于 高温 、 高压 、 腐蚀性介质及含有 固体颗粒 等多种苛 刻工况 ， 因此 ， 在仪表测量管路设计中， 很多用户喜 欢采用 硬密 封球 阀 。 1 ． 3 ． 3 主要 故 障原 因及 解决 方案 近 期一些 炼 油装置 在运 行过程 中 ， 部分 球 阀出 现 了卡死 、 内漏 等 现 象 ， 使 得 一些 用 户 对 使 用 球 阀 产生 了疑 虑 。由 于硬 密 封球 阀 的加 工 制 造 质 量要 求比较高 ， 因而球阀在使用过程 中出现故障的原因 多是产 品质 量和 施工 过程 不 当引起 的 。 a 加 工 精 度 不 高 。对 于 球 阀来 说 ， 要 求 球 体 与 阀座 有正 确 的几何形 状 、 良好 的 吻合 程度 和较 高 的表面 光 洁度 ， 球 体 的表 面粗 糙 度值 应不 大 于 R a O ． 4 _ 5 J 。如果球 体表面光洁度不够就会 引起 球 体 与密封 圈 的摩擦 力 过 大 ， 造 成 启 闭 困 难 ， 尤 其在 蒸 汽 、 高 温气体 等工 艺介 质无 法起 到对球 体 润滑作 用的场合 ， 这种现象非常普遍。球体几何形状加工 精度不够会造成球体与密封圈之间的间隙， 出现阀 门 内漏的情 况 。 b 弹簧预紧力设置不当。为 了保证球阀在低 压 场合 也有足 够 的密封 性 ， 球 阀在 出厂 前应 调节 预 紧弹簧使球体 与密封囤之 间产生 一定 的密封压 。 初始 的密 封压 如果设 置 过大 ， 当 阀门关 闭时在 介质 压力 的共 同作用 下 ， 阀 门 的操 作 会 较 困难 ； 而初 始 密封 压设置 过小 ， 在介 质压 力不 能提 供足 够 的推力 时 ， 又无法保 证 阀 门的密封 性 。 C 焊接 方 式 不 当 。对 焊 接 连 接 方 式 的球 阀 ， 在施工焊接尤其是焊后热处理过程中， 阀体的受热 面 积不 能过大 ， 必要 时应 采取 局部 降温 措施 。由于 仪表阀门尺寸较小 ， 阀内件与焊 I 1 距离很短 ， 焊接 时 温度过 高会 导致 阀体 和阀座 变形 ， 从 而引起 阀座 与阀体、 阀座与球体吻合不好出现泄漏。情况严重 时甚至会出现弹簧变形、 密封填料 炭化 、 密封 圈断 裂等现象。 虽然硬密封球阀性能优 良、 使用温度高、 耐用 ， 但高精度的硬密封球 阀制造成本较高 。软密封球 阀密 封 性 能好 、 操 作 省 力 、 制造 成 本 较低 。因此 在 选用过 程 中应综 合 考 虑 介 质情 况 、 使 用 条 件 、 建 设 投 资等 因素 。 为 了减 少 由于 施 工过 程 中焊接 不 当造 成 阀 门 损 坏 的情 况 ， 除 了要 规 范 和监 督 施 工 过 程外 ， 也 可 根 据工艺 和 现场安 装 条 件 适 当 采 用法 兰 或 螺 纹 连 接 方式 的球 阀 ， 或 者选用 长 阀体 型或者 连接端 部带 短管 的焊 接球 阀l 4 ] 。 1 ． 4止 回 阀 止 回阀又称 单 向 阀 ， 其 作用 是 防止管 道介 质倒 流 。止 回阀属 于 自动 类 阀门 ， 其 启 闭动作 由介 质 自 身能量驱动。止 回阀按结构形式不 同分为升降式 和旋启 式 。 升 降式 止 回阀 的阀体 和 阀芯 与截 止 阀相 似 ， 但 其 阀芯 的上部 和 阀盖下 部加 工有 导 向套筒 ， 阀芯 导 向筒 可 以在 阀盖 导 向筒 内 自由升 降 。升 降 式 止 回 阀可 分为 直通 式 和 立式 两 种 。旋 启 式 的阀 芯成 圆 盘状 ， 绕阀座通道的转轴做旋转运动。 升 降式 较旋 启 式 密 封性 好 ， 流体 阻力 大 ， 直 通 式 安装 在水 平管 道上 ， 立式 安装 在垂 直管 道上 。旋 启 式止 回阀的安 装 位 置不 受 限制 ， 可 装 在 水 平 、 垂 直或倾斜 的管线上 。但旋启式止 回阀不宜制成小 口径 阀门， 在仪表测量管路中很少使用 。 2阀 门的设 计选 用 2 ． 1 仪 表测量 管路 阀门的应 用特 点 一 种 采 用 自动 冲灌 隔离 液 系 统 的差 压 流量 变 送 器 的测量 管路 方案 如 图 4所示 。 隔离、 放空 、 排凝阀 图 4 典型仪 表 测量 管路 方案 在整 个测 量管路 中设 置 了多个 阀门 ， 每个 阀 门 的用 途和工 况 也 不尽 相 同 。阀 门 的设 计 和选 用 除 了根 据管道 级别 、 设 计温度 、 设 计压力 和介 质 的 腐 蚀 性质等设计条件 ， 以及 阀门的固有性能和经济 合理性等因素进行统筹考虑外 ， 还要考虑阀门在仪 表测量管路 中的应用特点。仪表测量管路与工艺 管道最大的不同是仪表正 常运行时整个测量管路 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 石油化工 自动化 中介质处于静态 连续冲洗和反吹l_ 6 方案等除外 。 因此 ， 阀门 的选用 无 需考 虑 流 体对 阀 芯 的 冲蚀 ， 多 数 情况 下 阀门只是起 到切 断 和接通作 用 。 2 ． 2阀门种 类的设 计选 用 以取 源一 次 阀 的选 用 为 例 。如 图 4所 示 ， 取 源 一 次 阀位 于仪 表 测 量 管 路 的根 部 ， 其 主要 作 用 是 接通 和 切 断仪 表 测 量 管 路 与 工 艺 管 道 的 联 系 。 由于 一次 阀与工 艺 介 质 直 接 接 触 ， 在 整 个 测 量 管 路 中所 处 的 工 况 最 苛 刻 ， 位 置 也 最 为 关 键 ， 一 阀门出现故障， 很难在线维修和更换 。 在炼 油 装 置 中多 数工 艺 介 质 中都 难免 会 带 有 少量固体颗粒， 这些固体颗粒随着时间的推移会慢 慢在测 量管 路 中 聚集 。 由于 仪 表测 量 管 路 中的 工 艺介质 处于 静态 ， 除 非 采 用 冲洗 或 反 吹方 案 ， 否 则 取源管 嘴和 一 次 阀 中的 固体 颗 粒 很 难 被带 走 。为 了避免一次阀前出现堵塞 以及密封 面夹住固体颗 粒造成阀门内漏的情况 ， 一般在低压场合选用平行 双 闸板 阀作 为 仪 表 的 取 源 一 次 阀 ， 不 推 荐 采 用 T 形 截止 阀 ， 而 在高压 场合 宜采 用 Y形 截止 阀 。 球 阀从 结构 和功能 特点上 看 ， 与 闸阀和截 止 阀 相 比更适合作为仪表的取源一次阀， 可在投资条件 允 许 ， 产 品和施 工质 量 能够得 到充分 保证 的情况 下 选 用硬 密封浮 动球 阀 。 2 ． 3 放 空及 排凝 阀 图 4所 示 的放 空 及 排凝 阀主要 用于 释放 测 量 管 路 中的压力 ， 同时将测量 管路 中的介质 排放 到低 压系统 如 大气、 污油罐等 中去。 放空阀和排凝阀都位于测量管路的末端 ， 相对 而 言工艺介 质 温度 较 低 ， 工 况 也 比较 简 单 ， 但 对 阀 门的密封 性要 求较 高 。 由于在 测 量管 路 放 空 和排 凝 时需 要 控制 排 放 的速度 ， 因此不 宜采 用 闸 阀 ， 一 般 可 根据 实 际 情 况 选 用浮动球 阀或 T 形截 止 阀。 2 ． 4仪表 阀 仪表阀也称为二次 阀， 如图 4所示 ， 位于现场 仪表的前端 ， 用于接通和切断仪表与测量管路的联 系。出于对仪表的保护考虑 ， 在高温、 腐蚀性 、 黏稠 以及含有固体颗粒等介质 的场合使用仪表 阀之前 都要采取降温和隔离措施 ， 因此仪表阀的工作条件 在整个测量管路 中是最好的。 仪表阀在使用时一般保持较小的开度 ， 以防止 现场 出现仪 表接液 部件 如压 力表 弹簧 管 损 坏时 ， 工 艺介质 泄漏 量 过 大 的情 况 发 生 。考 虑 到安 装 和 使用方便 ， 仪表阀外形尺寸也应尽量小 ， 因此一般 采用阀组。但 对 于极度 危害 的有毒 性介质 的场 合 等苛 刻工 况 ， 在无 法采 取 有 效 的 隔离 措 施 时 ， 应选 用螺 栓连 接 阀盖 的截 止 阀 。 2 ． 5止 回阀 图 4所 示 的止 回 阀一 般用 于 自动 冲灌 隔离 液 系 统或 冲洗 油系统 中 ， 防止系 统压力 不足 时工 艺介 质的倒流 。在异常工况下 如冲洗油压力低于工艺 介质压力时 ， 止回阀是测量管路 中隔离液或冲洗 油 与工艺介 质 的分 界线 。 仪表 测 量 管路 现 场 施工 时 受很 多外 部条 件 的 限制 ， 在设 计 阶段 很难 确定 止 回阀安装 在垂 直管线 上还是 水平 管 线上 。因此 一 般 选 择 带 弹簧 返 回机 构 的立 式升 降式 止 回阀 ， 这样 可 以确保 无论 止 回阀 采用何种安装方式都可以正常工作。 2 ． 6隔离 及冲洗 阀 图 4所示 的隔 离及 冲洗 阀用 于接 通 和切 断 隔 离液和冲洗油系统与测量管路的联系 ， 同时还用来 控 制 隔离液 和 冲洗 油 的 压 力 和流 量 。考 虑 到 闸 阀 不 适合 用于 节流 ] ， 因此 一般 情况 下可 根据 隔离介 质 特性 选择 T形 截止 阀或 针形 阀 。 3 结束 语 由于各种 阀门结构形式的不同， 其用途和适用 场合 也有 所不 同 。因此 在 仪 表测 量 管 路 阀 门 的设 计选用中， 应根据不 同的应用场合选择合适的阀门 类型， 不但要保证仪表的测量精度 ， 实现施工 和安 装 的规 范化 ， 节省 基 建 投 资 ， 同 时还 应 充 分考 虑 阀 门的密封性 、 可靠性和使用寿命 ， 确保装置的长周 期安 全生 产 。 参考文献 [ 】 ] 国家和发 展改革委 员会．S H／ T 3 0 6 4 2 0 0 3石油化工钢制通 用阀门选 用、 检验及验 收[ s ] ．2 0 0 3 2 3 ． [ 2 ] 张德姜 ， 赵勇． 石油化 工 工艺管道设 计 与安装 [ M] ． 北京 中 国 石化 出 版社 ， 2 0 0 2 1 6 2 ． [ 3 3 A me r i c a n P e t r o l e u m I n s t i t u t e ．ANS I ／ AP I S P E C I F I C ATI ON 6 D TW ENTY THI RD EDI TI ON ，APRI I 2 00 8 S p e c i f i c a t i o n f o r P i p e l i n e V a l v e s [ S ] ．2 0 0 8 4 5 ． [ 4 ] 中华人 民共 和国建设部．GB 5 0 3 1 6 2 0 0 0工业金属管道设计 规范[ s ] ．2 0 0 0 ． [ 6 3 陆培文 ， 孙晓霞 ， 杨炯 良．阀门选 用手册[ M] ． 2版． 北京 机 械 1 业 出版社 ， 2 0 0 9 3 3 5 ． [ 6 ] 陈洪全 ， 岳智． 仪表工程施工 手册[ M] ． 北京 化 工工业出 版 社 ， 2 0 0 5 6 0 1 6 0 3 ． [ 7 ] 于浦义 ， 张德姜 ， 唐 永进． 石油化工 压力 管道设计 手册[ M] ． j E 京 化 【 工 、 出 版社 。 2 0 0 7 6 0 7 ． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o 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