PTA装置用大口径钛合金截止阀设计及计算

2022-10-02 08:30丁强伟刘兴玉张新奇李光辉

科技创新与应用 2022年27期

丁强伟，刘兴玉，李成，张新奇，李光辉

（1.中国船舶集团有限公司第七二五研究所，河南洛阳 471000；2.海南逸盛石化有限公司，海南儋州 578101）

近年来，得益于石化行业生产技术的不断进步及PTA产业链的发展需求，新建及扩建的PTA装置不断增加，PTA装置规模日趋大型化[1]。PTA装置中钛合金阀门属于高端阀门，该类阀门一般安装在生产工艺流程前端、氧化反应器附近，介质为250℃左右的醋酸、氢溴酸和工艺浆料等，含粉状颗粒，应用工况十分苛刻。PTA装置用大口径钛合金截止阀口径一般为6～14寸，压力150 lb、300 lb，一般应用于限流场合，要求其具备耐磨、耐腐蚀、耐高温、长寿命、低逸散和启闭灵活等性能。由于工况苛刻、产品材质特殊、口径大和技术含量高，设计、选材和工艺等具备其自身特点，长期以来一直依赖进口。近年来随着我国国产化、自主可控大环境影响，该类阀门国产化研制及供货已十分迫切，基于此研制设计适用于PTA工况的大口径钛合金截止阀。

1 设计标准

目前国际上暂无系统性地介绍钛合金阀门的设计标准，如涉及到压力-温度基准、最小壁厚取值等内容，国内关于钛合金截止阀的相关标准多来自于船舶行业，一般设计压力不大于4.0 MPa，公称通径小于DN150，且过流介质均为正常工况海水，与PTA高温、大口径和强腐蚀性工况不同。我国PTA行业钛合金阀门的设计、制造和试验一般参照美标钢制阀门执行，个别参照英国标准、德国标准[2]。

大口径钛合金截止阀的结构设计标准主要参照：ASME B16.34—2007《法兰、螺纹和焊连接的阀门》、API STD 623《钢制截止阀-法兰连接和对焊端螺栓连接阀盖》、BS 1873：1975《石油、石化及相关工业用法兰端和对焊端钢制截止阀和截止止回阀》、MSS SP-42-1999《法兰端和对焊端耐腐蚀的闸阀、截止阀、角阀和止回阀150磅级》、GB/T 12235—2007《石油、石化及相关工业用钢制截止阀和升降式止回阀》。结构长度标准和法兰标准一般按以下标准执行：ASME B16.10—2007《阀门结构长度》、ASME B16.5《管法兰和法兰管件的解读》。检验和试验标准一般按以下标准执行：API 598《阀门的检查与试验》、API 624《带FE石墨填料升降杆阀门的型式测试》。

2 产品结构特点

钛合金大口径截止阀如图1所示，主要由阀体、阀瓣、阀杆、阀盖、阀杆螺母和手轮等零件组成。本阀靠旋转手轮，作用于阀杆螺母，使阀杆升降而带动阀瓣作垂直于流体的直线位移来达到启闭目的，采用一体式主密封阀座及阀盖上密封设计，采用锥面密封结构，密封比压大，操作扭矩小；采用低逸散组合式填料结构，阀门具有优良的低逸散密封特性；本阀门关闭时手轮按顺时针方向旋转，可采用撞击式手轮或伞形锥齿轮箱操作。

图1 钛合金大口径截止阀

3 主要部件选材

PTA用大口径钛合金截止阀的工艺介质一般是含醋酸工艺浆料、HBr催化剂和碱等，具有极强的腐蚀性，温度可达250℃，钛材除了满足ASTM规范外，一般要求低铁低氢，同时钛材锻件的屈强比应小于85%，选材一般需综合考虑应用工况、材料强度刚度、工艺成型性、密封副及摩擦副材料配合等。综上，一般选材如下。

阀体、阀盖：ASTM B367 C-2。

阀杆、阀瓣：ASTM B348 F5。

阀杆螺母：ASTM B148 C95500。

填料组：组合石墨（编结石墨+柔性石墨）。

中法兰垫片：柔性石墨夹钛丝。

4 技术方案

4.1 升降式阀杆结构

大口径截止阀在阀杆上装有导向块，阀门启闭时，导向块沿着阀盖支架上的筋板做升降运动，保证阀瓣密封面在启闭瞬间不会发生旋转摩擦，从而延长阀门使用寿命。根据应用现场调研，若采用旋转升降式阀杆结构，阀瓣一旦出现卡滞，操作不当、阀瓣剧烈旋转摩擦阀座密封面，受力不均会使阀瓣与阀瓣盖之间的焊点破坏，长此以往出现阀瓣脱落的现象，严重影响截止阀使用寿命及系统运行安全。另一方面，阀杆只做升降运动，可减小阀杆对填料的磨损，从而保证填料函处的密封。同时，大口径钛合金截止阀阀杆轴向力一般都较大，为了减小操作力矩，一般在阀杆螺母上均需要安装推力球轴承[3]，如图2所示。

图2 推力轴承安装位置

4.2 锥面密封结构

PTA及大部分石化行业用截止阀为保证良好的密封性能，多采用锥面密封结构（即阀瓣锥度β与阀座锥度α相等，如图3所示）。事实上，零件加工过程始终存在加工误差（如同轴度、圆柱度和倾斜度等），其密封效果十分不理想。参考国内外文献样本，密封面采用线接触密封（即阀瓣锥度β与阀座锥度α存在一个角度差，关闭时阀瓣密封面与固定的阀座锥面呈相切状态）。实际使用密封效果优于面对面密封，且密封副选材阀瓣为钛合金，阀座为工业纯钛，两者存在本质硬度差，密封效果更加可靠。同时，可采用气相沉积、渗氮等技术进行硬化处理使锥形阀瓣密封面致密坚硬，以提高密封面的抗汽蚀性、耐磨性和使用寿命[4]。

图3 锥面密封副形式

4.3 阀瓣导向结构设计

大口径截止阀阀杆行程长、阀瓣体积及重量大，高压差、高流速工况下阀瓣所受的介质冲击力巨大，一般需要设计导向机构来保证阀瓣密封面和阀座密封面的紧密贴合，否则在极端工况下，阀杆可能出现弯曲、偏移等，进而造成密封失效或者阀瓣卡滞等情况。现有截止阀设计标准中，API STD 623中指出当压力大于等于900 lb时，阀瓣的导向需由非阀杆方式实现，GB/T 12235—2007中指出阀瓣必须有可靠的导向结构，保证任何工况下，阀瓣均能与阀座同轴并保持密封，规定了公称尺寸大于等于DN200的截止阀止回阀阀瓣应有阀座或阀体的导向机构。目前，大口径截止阀的阀瓣导向结构主要有以下3种形式如图4所示，可供设计选择，从而改善阀瓣的对中性，提高阀门的密封可靠性[5]。

图4 阀瓣不同的导向结构

4.4 上密封结构

BS 1873：1975、API STD 623等截止阀设计标准中均要求阀杆与阀盖底部之间设计有上密封结构，一般情况下碳钢阀门要求上密封座独立且堆焊硬质耐蚀合金、不锈钢可采用一体式阀座。改为钛制阀门后腐蚀问题得到解决，可将上密封座与阀盖设计为一体，类似于主密封仍设计成差异化锥面密封，保证密封更加可靠。

4.5 低逸散设计

近年来，节约能源和保护环境越来越受到重视，PTA装置中对挥发性有机物（VOC）的逸散也提出了要求，阀门中VOC的逸散主要来自于阀杆填料处[6]，目前一般要求该位置VOC泄漏量小于等于100 ppm甚至50 ppm，为此针对PTA工况大口径截止阀可采用双重密封结构，下装内外侧带O圈的填料垫，上装组合式低逸散石墨填料组如图5所示，以此来保证大口径截止阀的低逸散设计要求。BS 1873：1975截止阀设计标准中安装填料隔环、紧急情况下注胶强制密封的措施目前已很少使用，且不符合环境要求。当然，低逸散的控制除了科学的设计，还要靠填料函、阀杆的加工精度及组合式填料的综合性能等保证[7]。

图5 低逸散型石墨组合填料

4.6 阀门操作方式

大口径截止阀需保证手动启闭力小于360 N，如果手操力矩较大，可使用撞击式手轮，撞击式手轮（如图6所示是利用手轮较大的转动惯量，使阀门开启更容易或关闭更严，让阀门开、关有效。针对PTA钛合金阀门工况，大口径截止阀一般大于等于12＂150 lb、大于等于10＂300 lb、大于等于8＂600 lb时需安装伞形齿轮箱如图7所示。

图6 撞击式手轮

图7 伞形齿轮箱

5 PTA截止阀设计计算

以8＂CLass 300截止阀为典型规格，对其主要零部件进行设计计算。

5.1 阀体壁厚计算

通过计算可知，阀体选用ASTM B367 C-2铸件时，计算得到壁厚为9.07 mm。查BS 1873：1975标准中tB-min为17.4mm，查ASME B16.34标准中tB-min为11.0mm，参考ASME B16.34—2007附录B中，关于确定压力-温度额定值的方法确定实际工况下的压力值，考虑接口尺寸要求及加工工艺性，阀体实际壁厚tB为20 mm，tB≥tB-min满足要求。