趙海燕 黎玉飛

（北京航天長(zhǎng)征化學(xué)工程股份有限公司)

0 概述

氧氣切斷閥是煤化工工藝裝置中的一類重要閥門(mén)，安裝于燃燒器供氧回路中，對(duì)預(yù)熱氧氣、氧氣蒸汽混合氣等進(jìn)行切斷控制。其工作溫度最高可達(dá)到450℃，工作壓力最大可達(dá)到5.5 MPa，且氧氣為強(qiáng)助燃劑，泄漏等級(jí)要求為Ⅵ級(jí)。在如此苛刻的工況條件下，金屬硬密封球閥是其最好的選擇。

1 高溫氧氣用金屬硬密封球閥的設(shè)計(jì)參數(shù)

以煤化工工藝裝置中DN200 mm高溫氧氣用金屬硬密封球閥為例，其工藝參數(shù)如表1所示。

2 高溫氧氣用金屬硬密封球閥的材料選擇

高溫氧氣用金屬硬密封球閥的閥體和主要零部件材料的選擇很重要，要依據(jù)其工作溫度、工作壓力和介質(zhì)特性進(jìn)行選擇，同時(shí)還要考慮到材料的加工工藝性和經(jīng)濟(jì)性。由于氧氣介質(zhì)要求管路系統(tǒng)內(nèi)部不能產(chǎn)生氧化銹蝕，因此球 （氧）閥材料一般采用鉻鎳不銹鋼等耐腐蝕鋼。煤氣化裝置中的氧氣用金屬硬密封球閥的閥體材料通常采用CF8M或F316，球體和閥座材料采用316，密封面噴涂硬質(zhì)合金，主要零部件材料采用316。高溫情況下閥體材料采用INCONEL 600或625的鑄件或鍛件，球體和閥座材料采用INCONEL 600或625，密封面噴涂硬質(zhì)合金，主要零部件材料采用INCONEL 600或625。彈性元件 （碟簧或彈簧）的材料采用INCONEL X-750，保證在高溫狀況下提供足夠的預(yù)緊力。

表1 球閥工藝參數(shù)

3 高溫氧氣用金屬硬密封球閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

高溫氧氣用金屬硬密封球閥結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 高溫氧氣用金屬硬密封球閥結(jié)構(gòu)

3.1 閥座與球體的密封

根據(jù)ANSI B16.104標(biāo)準(zhǔn)，粉煤或是渣水介質(zhì)用的金屬硬密封球閥密封等級(jí)要求為Ⅴ級(jí)。由于氧氣是一種危險(xiǎn)介質(zhì)，任何的外漏和內(nèi)漏都可能造成燃燒、爆炸等嚴(yán)重后果，因此密封等級(jí)要求為Ⅵ級(jí)。球體與閥座間的密封，是控制氧閥內(nèi)漏的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，要求達(dá)到嚴(yán)格的Ⅵ級(jí)密封。球、座的加工精度要求非常高，圓度要求達(dá)到μm級(jí)，表面粗糙度參數(shù)Ra≤0.2μm。需要精密數(shù)控球面專用磨床加工，再經(jīng)球座對(duì)研，才能達(dá)到氧閥的嚴(yán)格要求。

3.2 閥桿低泄漏控制

通常金屬硬密封球閥閥桿處采用O形圈、PTFE填料或石墨盤(pán)根密封。對(duì)于高溫氧氣用金屬硬密封球閥，O形圈和PTFE填料不能滿足高溫工況要求，故不能使用。而石墨盤(pán)根通常含有雜質(zhì)，也不能應(yīng)用于氧氣介質(zhì)。因此高溫氧氣用金屬硬密封球閥采用石墨環(huán)密封，并采用碟形彈簧進(jìn)行動(dòng)態(tài)加載，實(shí)現(xiàn)對(duì)填料磨損時(shí)的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，以保證閥門(mén)閥桿處的密封。

3.3 加長(zhǎng)閥頸設(shè)計(jì)

由于介質(zhì)為高溫氧氣，設(shè)計(jì)溫度達(dá)到450℃，氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)要遠(yuǎn)離高溫區(qū)域，因此設(shè)計(jì)加長(zhǎng)閥頸，以保證氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的正常工作。

3.4 氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇

由于高溫氧氣用金屬硬密封球閥的球體和閥座密封面之間是金屬對(duì)金屬，沒(méi)有任何潤(rùn)滑劑，如果氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出力矩不足，很容易出現(xiàn)球體與閥座之間卡滯的情況，影響閥門(mén)的正常工作，因此，氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇很重要。在正常氣源壓力下，氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)提供的輸出力矩為閥門(mén)在最大壓差下計(jì)算力矩的1.5倍以上，因此完全能使閥門(mén)正常地、穩(wěn)定地啟閉。

4 高溫氧氣用金屬硬密封球閥的設(shè)計(jì)計(jì)算

4.1 閥體壁厚的計(jì)算

按照ASME B16.34-2009，閥體最小壁厚采用強(qiáng)制性附錄Ⅵ的計(jì)算公式：

式中tm——閥體最小壁厚，mm；

d——閥體內(nèi)徑，mm；

C——腐蝕余量，mm。當(dāng)閥體實(shí)際厚度t≥tm時(shí)，為合格。

4.2 密封比壓的計(jì)算

閥座密封結(jié)構(gòu)為雙向密封結(jié)構(gòu)，密封比壓q為

當(dāng)qMF＜q＜[q] 時(shí)，密封比壓滿足要求。

式中q——實(shí)際工作比壓，MPa；

R——球體半徑，mm；

h——密封面在通道軸線方向的投影寬度，mm；

φ——球體與密封圈的接觸點(diǎn)與通道軸法向的夾角；

p——計(jì)算壓力，MPa；

DMW——閥座密封面外徑，mm；

DMN——閥座密封面內(nèi)徑，mm；

DJH——閥座外徑，mm；

qMF——保證密封所需的比壓（即密封比壓），MPa；

bM——密封面寬度，mm；

[q] ——密封材料的許用比壓。

4.3 總摩擦力矩的計(jì)算

金屬硬密封球閥的扭矩值表現(xiàn)為兩端高中間低的曲線狀，開(kāi)啟和關(guān)閉閥門(mén)時(shí)扭矩較大，而當(dāng)閥門(mén)處于關(guān)閉狀態(tài)承受最大工作壓力時(shí)，開(kāi)啟瞬間的扭矩應(yīng)為最大，且氧閥密封面禁油，沒(méi)有任何潤(rùn)滑，容易發(fā)生卡澀現(xiàn)象，所以選用的氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)在氣源壓力為0.4 MPa時(shí)輸出力矩應(yīng)為計(jì)算值的1.5倍以上。

閥門(mén)扭矩MF為

式中MF——總摩擦力矩，N·m；

MFZ——閥座對(duì)球體的摩擦力矩，N·m；

QQ1——進(jìn)口端閥座對(duì)球體的作用力，N；

QQ2——出口端閥座對(duì)球體的作用力，N；

fFZ——閥座摩擦系數(shù)；

r——閥座對(duì)球體的摩擦半徑平均值，mm；

φ——球體與密封圈的接觸點(diǎn)與通道軸法向的夾角；

MZC——軸承對(duì)閥桿的摩擦力矩，N·m；

fZC——軸承摩擦系數(shù)；

d——閥桿直徑，mm；

p——計(jì)算壓力，MPa；

MTL——填料對(duì)閥桿的摩擦力矩，N·m；

hT1——單圈填料與閥桿接觸的高度，mm；

zT——填料圈數(shù)；

fTL——填料與閥桿的摩擦系數(shù)；

MZJ——墊片對(duì)閥桿的摩擦力矩，N·m；

fDP——墊片摩擦系數(shù)；

DPN——墊片內(nèi)徑，mm；

DPW——墊片外徑，mm。

5 生產(chǎn)制造及試驗(yàn)

高溫氧氣用金屬硬密封球閥生產(chǎn)制造過(guò)程的控制很重要，有別于其它介質(zhì)用金屬硬密封球閥的生產(chǎn)要求，它的要求更為嚴(yán)格。高溫氧氣用金屬硬密封球閥裝配完成以后，要按照API 598規(guī)范進(jìn)行試驗(yàn)，達(dá)到要求方為合格。

5.1 閥體及零件的加工

(1)氧氣是一種助燃劑，閥體內(nèi)腔應(yīng)盡量圓滑過(guò)渡，避免尖角和銳角，避免形成死腔，防止介質(zhì)在腔內(nèi)聚集。

(2)針對(duì)高溫氧氣用金屬硬密封球閥，需要專門(mén)制定加工工藝，從而確保閥體及零件的尺寸、公差及表面粗糙度滿足圖紙精度要求。

5.2 閥體及零件的檢驗(yàn)

(1)氧氣一旦泄漏，就可能引起爆炸、起火等重大事故，直接危及到整個(gè)裝置及操作人員的安全。因此，閥體需要嚴(yán)格檢驗(yàn)，特別是鑄件，有嚴(yán)格的檢查驗(yàn)收程序，一旦發(fā)現(xiàn)不合格品要及時(shí)處理。

(2)針對(duì)高溫氧氣用金屬硬密封球閥，采取更加嚴(yán)密的質(zhì)量控制程序，從而確保閥體及零件的尺寸、公差和表面粗糙度滿足圖紙精度要求。

5.3 零件清洗

(1)氧閥內(nèi)腔不允許積存有固體雜質(zhì)，以避免在介質(zhì)流動(dòng)時(shí)因碰撞產(chǎn)生火花。氧閥凡與氧接觸的部位要嚴(yán)格脫油脫脂，脫油脫脂后用不含油的干空氣或氮?dú)獯祪?。?duì)于可超聲波清洗的零件，按照清洗規(guī)程對(duì)零件進(jìn)行清洗。

(2)所有零件清洗干燥后，為避免二次污染，需用干凈的聚乙烯薄膜進(jìn)行袋裝、包扎保護(hù)。

5.4 整機(jī)裝配

(1)整機(jī)裝配過(guò)程需要在凈化房?jī)?nèi)完成。

(2)氧閥嚴(yán)禁閥門(mén)內(nèi)部有油污，在裝配及移動(dòng)過(guò)程中要避免油污進(jìn)入。

(3)每一臺(tái)氧閥的裝配都要有詳細(xì)的裝配記錄，做到出了問(wèn)題有據(jù)可查，責(zé)任落實(shí)到人。

(4)對(duì)氧閥裝配人員實(shí)行專人專崗，并定期進(jìn)行崗位培訓(xùn)，確保閥門(mén)的裝配質(zhì)量。

5.5 整機(jī)試驗(yàn)

試驗(yàn)項(xiàng)目主要包括殼體試驗(yàn)、閥桿密封試驗(yàn)、閥座密封試驗(yàn)、開(kāi)關(guān)扭矩檢測(cè)。針對(duì)高壓氧氣用金屬硬密封球閥的每一項(xiàng)試驗(yàn)，要制定詳細(xì)的試驗(yàn)程序，要求試驗(yàn)人員嚴(yán)格按照試驗(yàn)程序進(jìn)行試驗(yàn)。

5.6 整機(jī)入庫(kù)

(1)整機(jī)試驗(yàn)通過(guò)后，在入庫(kù)前需要對(duì)閥門(mén)的外表進(jìn)行擦洗和干燥。

(2)用干凈的聚乙烯薄膜進(jìn)行袋裝、包扎密封，避免雜質(zhì)進(jìn)入。

(3)檢驗(yàn)員要按檢驗(yàn)規(guī)程對(duì)閥門(mén)進(jìn)行檢驗(yàn)。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)縝密的設(shè)計(jì)和嚴(yán)格的生產(chǎn)管理，我公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的高溫氧氣用硬密封球閥為航天粉煤加壓氣化裝置濮陽(yáng)、臨泉兩個(gè)示范項(xiàng)目提供了4種規(guī)格高溫氧閥共計(jì)23臺(tái)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)值約1000萬(wàn)元，替代了昂貴的進(jìn)口產(chǎn)品。氧閥運(yùn)行狀況良好，性能優(yōu)越，受到業(yè)主的好評(píng)。目前我公司生產(chǎn)的高溫氧氣硬密封球閥已有DN25～200 mm共6種規(guī)格，年產(chǎn)高溫氧閥數(shù)量達(dá)250臺(tái)，能滿足每年配套約10套航天粉煤加壓氣化裝置所需的氧閥，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。