楊 剛

(中國石化工程建設公司儀表自控室,北京 100011)

煉油裝置儀表測量管路用閥門種類的選用

楊 剛

(中國石化工程建設公司儀表自控室,北京 100011)

閥門是儀表測量管路中最關鍵的組成部分,其性能直接影響到整個測量管路系統(tǒng)的可靠性。由于工藝介質的溫度、壓力和物理化學性質上的差異,以及閥門在測量管路中所處的位置不同,對于閥門的性能和使用要求有很大區(qū)別。加工高硫和高含酸原油煉油裝置的長周期安全運行以及裝置的大型化,對儀表測量管路的設計提出更高的要求。設計人員應充分了解各種類型閥門的功能特點,針對不同的應用場合進行選用,重點介紹了儀表測量管路中閥門的類型和選用。

測量管路;閥門;結構特點;閥門選用

0 引 言

在儀表測量管路中,閥門是保證儀表可靠測量的最重要部件,也是操作頻繁、故障率最高的部件。以往為了設計的簡便和減少儀表材料的種類,測量管路中儀表閥門的選擇種類比較單一,基本以截止閥為主。隨著石油煉制工業(yè)的迅速發(fā)展和進步,加工高硫和高含酸原油煉油裝置的長周期安全運行以及裝置的大型化,對儀表測量管路的設計提出了嚴格的要求。由于截止閥的結構特點決定了其應用的局限性,因此如何針對不同的應用場合選用適宜的閥門是儀表工程師越來越關注的問題。所用閥門的結構是否合適,直接關系到儀表測量管路的安全運行和儀表測量的精度,經濟是否合理,也影響著建設投資和運行費用。該文重點對測量管路中閥門種類的選用進行探討。

1 閥門的種類及特點

目前煉油裝置中常用的儀表測量閥門種類有截止閥、閘閥、球閥和止回閥等。

1.1 截止閥

1.1.1 結構形式

截止閥是閥芯由閥桿帶動沿閥座軸線做升降運動的閥門。截止閥按結構形式不同又分為直通形閥、直流形(Y形)閥、針形閥和儀表閥組,如圖1所示。

圖1 截止閥結構形式

a)圖1a)所示的直通形(T形)閥是截止閥中最常用的結構形式,介質的進出口通道在同一水平方位上,其流道結構導致流體通過閥門時壓力降較大。

b)圖1b)所示的直流形(Y形)閥的閥座和閥芯中心線與閥體水平中心線呈45°夾角,其介質流向為從閥芯下方進入,當閥芯開啟后,介質幾乎沿著閥門通道的水平線方向流出,故稱之為直流式。

c)圖1c)所示的針形閥結構與 T形截止閥相似,不同的是閥芯為錐形針狀,閥桿通常用細螺紋以取得微量調節(jié)效果。

d)圖1d)為儀表閥組的局部剖圖,儀表閥組實際上是多個互通的T形截止閥或針形閥的組合,按照組成閥門的數量不同分為兩閥組、三閥組和五閥組。

1.1.2 特點及應用

截止閥可以改變流體通道的截面積,即可用于截斷也可用于節(jié)流和調節(jié)壓力或流量,是儀表測量管路中最常用的閥門。截止閥是強制密封閥門,閥門關閉時必須使閥芯壓緊閥座。閥門關閉時需要克服的阻力是閥桿和填料的摩擦力以及介質壓力在閥桿截面上的推力,由于密封力和介質壓力在同一軸線上,所需的密封力較大,密封容易泄漏,啟閉行程長,較為困難。

a)T形截止閥結構簡單,啟閉時間短,但流道復雜,閥門通徑相對較小,密封面間容易夾住介質中的固體顆粒。

b)Y形截止閥的流體阻力較小,適用于含固體顆?；蝠ざ却蟮牧黧w。Y形截止閥的啟閉行程更長,制造、維修、安裝和操作復雜,造價也比較高,一般用于高壓場合。

c)針形閥可以作為精確的流量限制用,但流通能力很小,容易堵塞,一般用于測量管路截止、分支、終端等場合,也用于分析儀采樣系統(tǒng)等需要微量調節(jié)、工藝介質潔凈的場合。

d)儀表閥組結構緊湊,操作方便,一般與現(xiàn)場儀表直接安裝在一起,可以減少安裝空間和中間管件的數量,有很好的密封性和調節(jié)性。但儀表閥組結構比較單一,多采用針形閥芯和螺紋閥蓋,這種結構不應直接用于黏稠、臟污、高危害介質以及溫度變化頻繁等苛刻工況[1]。

1.2 閘 閥

1.2.1 結構形式

閘閥是指閘板由閥桿帶動,沿閥座密封面做升降運動的閥門。按閘板形式不同又分為楔式閘板閥和平行式閘板閥,如圖2所示。

圖2a)所示的楔式閘板密封面與閘板垂直中心成一定傾角,稱為楔半角。楔式閘板又分為楔式單閘板和楔式雙閘板。

圖2b)所示的平行式閘板的兩個密封面平行,閥座密封面垂直于管道中心線。平行閘板中間有一對楔形嵌塊。平行閘板又分為平行式單閘板和平行式雙閘板。

圖2 閘閥的結構形式

1.2.2 特點及應用

楔形閘閥密封性能較差、行程省力、通道簡單、流通面積大、流體阻力小,但尺寸大、結構復雜、加工困難、密封面易磨損、容易泄漏、不易維修、啟閉時間長。尤其在高壓場合,在流體推力的作用下,閘板與閥座的摩擦力非常大,閥門開啟困難,密封面磨損情況也比較嚴重。閘閥一般適用于全開或全閉,不能作調節(jié)和節(jié)流使用。

楔形閘板閘閥靠楔形擠壓密封,在流體壓力不高時也能達到一定的密封效果。但楔形閘閥在高溫場合由于熱膨脹等原因,容易出現(xiàn)閘板與閥座卡緊,難以開啟的情況。

由于平行單閘板閥自身無法達到強制密封,目前已很少使用。平行雙閘板閥靠平板間楔形嵌塊外推密封,密封效果很好。由于楔形嵌塊與平行雙閘板間的動配合作用,可以實現(xiàn)關閉嚴密、開啟省力。由于平行雙閘板閥在關閉和開啟過程中,與閥座直接開合,沒有相互摩擦,可以達到很好的密封效果,使用壽命較長。

1.3 球 閥

1.3.1 結構形式

球閥的啟閉件為一球體,圍繞閥體的垂直中心線做旋轉運動。按閥體結構分為兩片式、三片式、頂裝式;按裝配形式分為螺紋裝配、法蘭裝配;按閥芯結構形式分為浮動球閥和固定球閥,如圖3所示;按照閥座密封材料分為硬密封(金屬密封)球閥和軟密封球閥等多種類型。

如圖3a)所示,浮動球的球體是可浮動的,在介質壓力的作用下球體被壓緊到出口側的密封圈上。

如圖3b)所示,固定球的球體被上下兩端的軸承固定,通過能產生推力的浮動閥座,使密封圈壓緊在球體上。

圖3 球閥的閥芯結構形式

1.3.2 特點及應用

球閥有操作簡便、啟閉迅速、密封性好、可自清洗、閥位標示明顯等優(yōu)點,近年來得到了越來越廣泛的應用,并有逐步取代閘閥和截止閥的趨勢。浮動球的結構簡單,一般為單側密封,密封效果好,但啟閉力矩大[2]。固定球啟閉省力,但結構復雜,外形尺寸大,造價昂貴,一般只用于高壓大口徑場合。在儀表測量管路中一般多采用浮動球閥。

軟密封球閥的閥座密封材料主要采用聚四氟乙烯、石墨、混合材料等,閥門的工作溫度與密封材料有關,不能太高。同時軟密封球閥一般應采取防靜電措施[3],在易燃、易爆介質的場合使用時還應采取防(耐)火結構[4]。由于閥門制造技術的不斷進步,硬密封球閥已經可以做到嚴密密封,適用于高溫、高壓、腐蝕性介質及含有固體顆粒等多種苛刻工況,因此,在儀表測量管路設計中,很多用戶喜歡采用硬密封球閥。

1.3.3 主要故障原因及解決方案

近期一些煉油裝置在運行過程中,部分球閥出現(xiàn)了卡死、內漏等現(xiàn)象,使得一些用戶對使用球閥產生了疑慮。由于硬密封球閥的加工制造質量要求比較高,因而球閥在使用過程中出現(xiàn)故障的原因多是產品質量和施工過程不當引起的。

a)加工精度不高。對于球閥來說,要求球體與閥座有正確的幾何形狀、良好的吻合程度和較高的表面光潔度,球體的表面粗糙度值應不大于Ra0.4[5]。如果球體表面光潔度不夠就會引起球體與密封圈的摩擦力過大,造成啟閉困難,尤其在蒸汽、高溫氣體等工藝介質無法起到對球體潤滑作用的場合,這種現(xiàn)象非常普遍。球體幾何形狀加工精度不夠會造成球體與密封圈之間的間隙,出現(xiàn)閥門內漏的情況。

b)彈簧預緊力設置不當。為了保證球閥在低壓場合也有足夠的密封性,球閥在出廠前應調節(jié)預緊彈簧使球體與密封圈之間產生一定的密封壓。初始的密封壓如果設置過大,當閥門關閉時在介質壓力的共同作用下,閥門的操作會較困難;而初始密封壓設置過小,在介質壓力不能提供足夠的推力時,又無法保證閥門的密封性。

c)焊接方式不當。對焊接連接方式的球閥,在施工焊接尤其是焊后熱處理過程中,閥體的受熱面積不能過大,必要時應采取局部降溫措施。由于儀表閥門尺寸較小,閥內件與焊口距離很短,焊接時溫度過高會導致閥體和閥座變形,從而引起閥座與閥體、閥座與球體吻合不好出現(xiàn)泄漏。情況嚴重時甚至會出現(xiàn)彈簧變形、密封填料炭化、密封圈斷裂等現(xiàn)象。

雖然硬密封球閥性能優(yōu)良、使用溫度高、耐用,但高精度的硬密封球閥制造成本較高。軟密封球閥密封性能好、操作省力、制造成本較低。因此在選用過程中應綜合考慮介質情況、使用條件、建設投資等因素。

為了減少由于施工過程中焊接不當造成閥門損壞的情況,除了要規(guī)范和監(jiān)督施工過程外,也可根據工藝和現(xiàn)場安裝條件適當采用法蘭或螺紋連接方式的球閥,或者選用長閥體型或者連接端部帶短管的焊接球閥[4]。

1.4 止回閥

止回閥又稱單向閥,其作用是防止管道介質倒流。止回閥屬于自動類閥門,其啟閉動作由介質自身能量驅動。止回閥按結構形式不同分為升降式和旋啟式。

升降式止回閥的閥體和閥芯與截止閥相似,但其閥芯的上部和閥蓋下部加工有導向套筒,閥芯導向筒可以在閥蓋導向筒內自由升降。升降式止回閥可分為直通式和立式兩種。旋啟式的閥芯成圓盤狀,繞閥座通道的轉軸做旋轉運動。

升降式較旋啟式密封性好,流體阻力大,直通式安裝在水平管道上,立式安裝在垂直管道上。旋啟式止回閥的安裝位置不受限制,可裝在水平、垂直或傾斜的管線上。但旋啟式止回閥不宜制成小口徑閥門,在儀表測量管路中很少使用。

2 閥門的設計選用

2.1 儀表測量管路閥門的應用特點

一種采用自動沖灌隔離液系統(tǒng)的差壓流量變送器的測量管路方案如圖4所示。

圖4 典型儀表測量管路方案

在整個測量管路中設置了多個閥門,每個閥門的用途和工況也不盡相同。閥門的設計和選用除了根據管道級別、設計溫度、設計壓力和介質的(腐蝕)性質等設計條件,以及閥門的固有性能和經濟合理性等因素進行統(tǒng)籌考慮外,還要考慮閥門在儀表測量管路中的應用特點。儀表測量管路與工藝管道最大的不同是儀表正常運行時整個測量管路中介質處于靜態(tài)(連續(xù)沖洗和反吹[6]方案等除外)。因此,閥門的選用無需考慮流體對閥芯的沖蝕,多數情況下閥門只是起到切斷和接通作用。

2.2 閥門種類的設計選用

以取源一次閥的選用為例。如圖4所示,取源一次閥位于儀表測量管路的根部,其主要作用是接通和切斷儀表測量管路與工藝管道的聯(lián)系。由于一次閥與工藝介質直接接觸,在整個測量管路中所處的工況最苛刻,位置也最為關鍵,一旦閥門出現(xiàn)故障,很難在線維修和更換。

在煉油裝置中多數工藝介質中都難免會帶有少量固體顆粒,這些固體顆粒隨著時間的推移會慢慢在測量管路中聚集。由于儀表測量管路中的工藝介質處于靜態(tài),除非采用沖洗或反吹方案,否則取源管嘴和一次閥中的固體顆粒很難被帶走。為了避免一次閥前出現(xiàn)堵塞以及密封面夾住固體顆粒造成閥門內漏的情況,一般在低壓場合選用平行雙閘板閥作為儀表的取源一次閥,不推薦采用 T形截止閥,而在高壓場合宜采用 Y形截止閥。

球閥從結構和功能特點上看,與閘閥和截止閥相比更適合作為儀表的取源一次閥,可在投資條件允許,產品和施工質量能夠得到充分保證的情況下選用硬密封浮動球閥。

2.3 放空及排凝閥

圖4所示的放空及排凝閥主要用于釋放測量管路中的壓力,同時將測量管路中的介質排放到低壓系統(tǒng)(如:大氣、污油罐等)中去。

放空閥和排凝閥都位于測量管路的末端,相對而言工藝介質溫度較低,工況也比較簡單,但對閥門的密封性要求較高。

由于在測量管路放空和排凝時需要控制排放的速度,因此不宜采用閘閥,一般可根據實際情況選用浮動球閥或T形截止閥。

2.4 儀表閥

儀表閥也稱為二次閥,如圖4所示,位于現(xiàn)場儀表的前端,用于接通和切斷儀表與測量管路的聯(lián)系。出于對儀表的保護考慮,在高溫、腐蝕性、黏稠以及含有固體顆粒等介質的場合使用儀表閥之前都要采取降溫和隔離措施,因此儀表閥的工作條件在整個測量管路中是最好的。

儀表閥在使用時一般保持較小的開度,以防止現(xiàn)場出現(xiàn)儀表接液部件(如壓力表彈簧管)損壞時,工藝介質泄漏量過大的情況發(fā)生?？紤]到安裝和使用方便,儀表閥外形尺寸也應盡量小,因此一般采用閥組。但對于極度危害的有毒性介質的場合[4]等苛刻工況,在無法采取有效的隔離措施時,應選用螺栓連接閥蓋的截止閥。

2.5 止回閥

圖4所示的止回閥一般用于自動沖灌隔離液系統(tǒng)或沖洗油系統(tǒng)中,防止系統(tǒng)壓力不足時工藝介質的倒流。在異常工況下(如沖洗油壓力低于工藝介質壓力時),止回閥是測量管路中隔離液或沖洗油與工藝介質的分界線。

儀表測量管路現(xiàn)場施工時受很多外部條件的限制,在設計階段很難確定止回閥安裝在垂直管線上還是水平管線上。因此一般選擇帶彈簧返回機構的立式升降式止回閥,這樣可以確保無論止回閥采用何種安裝方式都可以正常工作。

2.6 隔離及沖洗閥

圖4所示的隔離及沖洗閥用于接通和切斷隔離液和沖洗油系統(tǒng)與測量管路的聯(lián)系,同時還用來控制隔離液和沖洗油的壓力和流量?？紤]到閘閥不適合用于節(jié)流[7],因此一般情況下可根據隔離介質特性選擇T形截止閥或針形閥。

3 結束語

由于各種閥門結構形式的不同,其用途和適用場合也有所不同。因此在儀表測量管路閥門的設計選用中,應根據不同的應用場合選擇合適的閥門類型,不但要保證儀表的測量精度,實現(xiàn)施工和安裝的規(guī)范化,節(jié)省基建投資,同時還應充分考慮閥門的密封性、可靠性和使用壽命,確保裝置的長周期安全生產。

[1] 國家和發(fā)展改革委員會.SH/T 3064-2003石油化工鋼制通用閥門選用、檢驗及驗收[S].2003:2-3.

[2] 張德姜,趙 勇.石油化工工藝管道設計與安裝[M].北京:中國石化出版社,2002:162.

[3] American Petroleum Institute.ANSI/API SPECIFICATION 6D TWENTY-THIRD EDITION,APRIL 2008 Specification for Pipeline Valves[S].2008:45.

[4] 中華人民共和國建設部.GB 50316-2000工業(yè)金屬管道設計規(guī)范[S].2000.

[5] 陸培文,孫曉霞,楊炯良.閥門選用手冊[M].2版.北京:機械工業(yè)出版社,2009:335.

[6] 陳洪全,岳 智.儀表工程施工手冊[M].北京:化工工業(yè)出版社,2005:601-603.

[7] 于浦義,張德姜,唐永進.石油化工壓力管道設計手冊[M].北京:化工工業(yè)出版社,2007:607.

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2010-06-08。

楊 剛(1972—),男,四川達縣人,1993年畢業(yè)于北京工商大學工業(yè)電氣自動化專業(yè),工學學士,現(xiàn)在中國石化工程建設公司儀表室從事石油化工自動化工程設計工作,任高級工程師。