超高溫蝶閥技術(shù)探討

大口徑超高溫蝶閥s用于催化裂化裝置能量煙氣回收系統(tǒng), 裝置的正常操作溫度680 ℃, 允許最高連續(xù)使用溫度720 ℃, 最高超溫800 ℃, 輸送含有催化劑顆粒的再生煙氣介質(zhì)。由于介質(zhì)對(duì)閥門沖刷強(qiáng)烈, 為防止閥體壁厚因沖刷減薄而失效, 閥體內(nèi)大面積堆焊硬質(zhì)合金, 閥體極易產(chǎn)生變形和開裂,堆焊難度較大。因?yàn)橄到y(tǒng)溫度較高, 金屬材料在高溫中機(jī)械性能急劇下降, 閥門應(yīng)選用耐高溫材料。為防止閥門泄漏超標(biāo), 引起系統(tǒng)煙機(jī)不能正常停車, 從而造成重大事故, 對(duì)閥門密封結(jié)構(gòu)及其零件的加工精度要求較高。

大口徑超高溫蝶閥閥體由鋼板和鍛件法蘭焊接而成。閥桿為整體鍛件結(jié)構(gòu), 由外部軸承座支撐,并通過二端銷連接帶動(dòng)閥瓣轉(zhuǎn)動(dòng)。2 個(gè)半圓閥座前后錯(cuò)開, 與閥瓣呈對(duì)稱式分布, 結(jié)合對(duì)稱式流線形結(jié)構(gòu)的閥瓣, 使閥門具有良好的流通性能。3 組填料密封, 外加密封劑和吹掃二道輔助密封組成了高可靠性閥桿填料密封系統(tǒng)(圖1) 。

圖1 大口徑超高溫蝶閥

超高溫蝶閥為了滿足高溫的要求，必需要滿足以下幾方面的要求：

1、閥體材料　閥門設(shè)計(jì)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為ASMEB16134 。按該標(biāo)準(zhǔn)中的壓力- 溫度表計(jì)算得到的閥門常溫下的壓力等級(jí)數(shù), 就是設(shè)計(jì)基準(zhǔn), 并以此來計(jì)算最小壁厚。在設(shè)計(jì)過程中, 閥體材料也選ASME B16134 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的材料, 并且材料的適用溫度高于閥門工況最高溫度。經(jīng)過查閱了大量國(guó)內(nèi)外類似工況的閥門設(shè)備材料使用情況, 結(jié)合對(duì)高溫材料的使用經(jīng)驗(yàn), 選擇了性價(jià)比較高的304H 作為閥體材料。此材料可減小蠕變對(duì)材料的影響。

2、閥桿材料　根據(jù)高溫強(qiáng)度估算, 奧氏體鋼在704 ℃的高溫工況下, 強(qiáng)度降低6415 %以上, 如果采用加大閥桿直徑提高其強(qiáng)度的方法, 則超出閥門結(jié)構(gòu)要求, 因此奧氏體鋼不適宜做閥桿材料。lnconel X - 750 在704 ℃的高溫工況時(shí), 強(qiáng)度降低4113 % , 但強(qiáng)度值還很大(表1) 。根據(jù)屈服強(qiáng)度,并考慮持久強(qiáng)度計(jì)算得到的閥桿直徑, 符合閥門結(jié)構(gòu)要求, 因此閥桿材料選用lnconel X - 750 。

3、閥體最小壁厚計(jì)算是為了保證閥門的壓力邊界完整。最小壁厚采用規(guī)則法計(jì)算, 計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)按 ASME B16134 , 在選擇壓力- 溫度額定值時(shí), 有2種磅級(jí)選擇法。一種是選擇標(biāo)準(zhǔn)磅級(jí), 計(jì)算得到的最小壁厚比較大, 比較安全。另一種是選擇特殊磅級(jí), 計(jì)算得到的最小壁厚比標(biāo)準(zhǔn)磅級(jí)小, 但無損檢測(cè)要求較嚴(yán)。根據(jù)高溫工況的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn), 選擇了這二種磅級(jí)的組合形式, 即在計(jì)算最小壁厚的壓力-溫度額定值時(shí), 選用標(biāo)準(zhǔn)磅級(jí), 而閥體的無損檢測(cè)要求按特殊磅級(jí)。 閥門泄漏率要求為最大流量的0167 % , 當(dāng)泄漏超標(biāo)就會(huì)引起系統(tǒng)煙機(jī)不能正常停車, 從而造成重大事故。普通煙氣蝶閥閥體通道內(nèi)沒有閥座, 閥瓣僅起調(diào)節(jié)煙氣介質(zhì)流量的作用, 不起密封作用(圖2) 。根據(jù)性能要求, 大口徑高溫蝶閥設(shè)有閥瓣和閥座密封副, 對(duì)閥門的流通性能、密封可靠性和啟閉力矩3 個(gè)方面進(jìn)行了設(shè)計(jì)研究。首先按常規(guī)蝶閥設(shè)計(jì)了密封副(圖3) , 此形式密封可靠, 雖然閥瓣旋轉(zhuǎn)中心與密封面存在偏心力矩, 使啟閉力矩增大, 但經(jīng)過計(jì)算, 力矩也在可以接受的范圍之內(nèi)。此結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是流通性能差, 不能滿足全開截面積的設(shè)計(jì)要求。經(jīng)過反復(fù)設(shè)計(jì)、修改和計(jì)算, 完成了對(duì)開式閥座密封副設(shè)計(jì)(圖4) , 該閥座是2個(gè)半圓閥座, 它們前后錯(cuò)開與閥瓣呈對(duì)稱式分布,使得閥瓣能夠設(shè)計(jì)成對(duì)稱式流線形結(jié)構(gòu), 使閥門具有良好的流通性能, 從而滿足了全開截面積要求和全開Cv 值要求。由于閥瓣結(jié)構(gòu)對(duì)稱, 所以啟閉力矩較小。雖然其密封面某一處可能有泄漏現(xiàn)象, 但只要合理控制閥瓣和閥座的尺寸精度、形位公差和二者之間的裝配誤差, 就能有效控制泄漏率在合格范圍之內(nèi)。

圖2普通煙氣蝶閥	圖3 蝶閥密封副形式

4、超高溫填料填料選用柔性石墨。其在空氣中氧化溫度為450 ℃, 并在此溫度下每24h 后質(zhì)量減輕1 %。溫度越高, 質(zhì)量減輕得越多, 氧化現(xiàn)象越嚴(yán)重。柔性石墨填料最高使用溫度為650 ℃, 且僅用于非氧化介質(zhì)。考慮到填料在填料函內(nèi)處于壓緊密封狀態(tài),只有一部分與空氣接觸, 有資料介紹處于這種狀態(tài)的填料使用溫度可達(dá)816 ℃。

大口徑超高溫蝶閥的研制, 主要是解決閥體主體材料的選用、蝶閥密封副結(jié)構(gòu)及閥桿密封結(jié) 構(gòu)的設(shè)計(jì)等問題, 并通過試驗(yàn)選取了超高溫填料,為石化行業(yè)催化裂化裝置系統(tǒng)用閥門的設(shè)計(jì)和制造

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