裂解氣閥和清焦閥的選型及使用
常見(jiàn)的裂解氣閥和清焦閥的閥型有軟密封平板閘閥、金屬密封平板閘閥、雙閘板平行式閘閥和金屬密封蝶閥4種，文中分別論述了其原理和特點(diǎn)，簡(jiǎn)單介紹了這4種閥門(mén)在國內的應用概況，總結了裂解氣閥和清焦閥的選型及使用應該注意的事項。
裂解氣閥和清焦閥是裂解爐的關(guān)鍵設備之一，其性能的優(yōu)劣直接影響裂解爐的運行和安全。自從裂解技術(shù)在20世紀60年代末成熟應用以來(lái)，裂解氣閥和清焦閥的設計、制造和應用也有了很大的發(fā)展。
1、裂解氣閥和清焦閥的用途
1臺裂解爐通常配備1個(gè)裂解氣閥和1個(gè)清焦閥，裂解氣閥用以切斷裂解管線(xiàn)，清焦閥用以切斷清焦管線(xiàn)，其典型的安裝工藝見(jiàn)圖1。
圖1 解氣閥和清焦閥的安裝示意
1.1、裂解氣閥和清焦閥的工作模式
裂解氣閥和清焦閥有3種工作模式：
裂解模式：裂解氣閥開(kāi)啟，清焦閥關(guān)閉，裂解爐在裂解，裂解氣和急冷油混合共同進(jìn)入分離塔，此時(shí)工況壓力為0.1MPa，溫度約為250℃;工作1個(gè)周期(30～60天)后，裂解爐內壁結焦，效率降低，需要清焦，閥門(mén)進(jìn)入切換模式。
切換模式：裂解氣閥正在“關(guān)”中，清焦閥正在“開(kāi)”中。至裂解氣閥全關(guān)，清焦閥全開(kāi)狀態(tài)，進(jìn)入清焦模式。
清焦模式：裂解氣閥關(guān)閉，清焦閥開(kāi)啟。當裂解爐在清焦時(shí)，急冷器停止噴油，含有焦碳顆粒的煙道氣通過(guò)清焦閥放空，此時(shí)工況壓力為0.07MPa，溫度為400～500℃，持續1～2天后，再次切換，至裂解氣閥全開(kāi)，清焦閥全關(guān)，再次進(jìn)入裂解模式，如此循環(huán)往復。
1.2、裂解氣閥和清焦閥的介質(zhì)
和普通閥門(mén)不同，裂解氣閥和清焦閥有工藝和保護2種介質(zhì)(見(jiàn)圖2)。工藝介質(zhì)分別是裂解氣和清焦氣，運行在流道中，壓力為P1。裂解氣的成分十分復雜，有碳氫化合物、CO和CO2、急冷油、水蒸氣等，在清焦過(guò)程中還會(huì )產(chǎn)生大量的結焦顆粒，是多相流。保護介質(zhì)為蒸汽，運行在閥腔中，壓力為P2。
蒸汽主要有3個(gè)作用：一是在閥腔和流道之間建立氣封。由于蒸汽的壓力高于介質(zhì)壓力，故閥腔和流道間的物質(zhì)交換，只能是閥腔中的蒸汽流入流道;二是保持閥體的溫度，防止閥腔結焦;三是清潔閥腔，將進(jìn)入閥腔的裂解氣經(jīng)排放管吹掃出去。對于雙閘板平行式閘閥，保護蒸汽在閥門(mén)關(guān)閉時(shí)還增加了密封力，使密封更可靠，在閥門(mén)開(kāi)啟時(shí)保護蒸汽還提供了膨脹節的密封力。
圖2 裂解氣閥和清焦閥的介質(zhì)示意
2、常見(jiàn)的裂解氣閥和清焦閥
目前常見(jiàn)的裂解氣閥和清焦閥的閥型有軟密封平板閘閥、金屬密封平板閘閥、雙閘板平行式閘閥和金屬密封蝶閥4種，下面簡(jiǎn)單論述該4種閥型的原理、特點(diǎn)和在國內的應用概況。
2.1、軟密封平板閘閥
2.1.1、原理
平板閘閥的閥板采用平板結構，通過(guò)閥板與密封圈的接觸壓力來(lái)密封流體，軟密封是指密封圈材料是非金屬(見(jiàn)圖3)。
圖3 軟密封平板閘閥示意
作為裂解氣閥和清焦閥的平板閘閥有2個(gè)特點(diǎn)：一是密封圈在結構上同普通平板閘閥密封圈有本質(zhì)區別，其主體材料為石棉，纖維方向要定向排列，且均平行于密封圈中心線(xiàn)，即垂直于閥板運動(dòng)方向，使密封圈承受軸向載荷能力強，不易受損傷(見(jiàn)圖4)。而普通平板閘閥密封圈的材質(zhì)為聚四氟乙烯或石墨，不含纖維，容易劃傷，不耐結焦;二是帶導流孔，這樣在開(kāi)位密封圈受保護，壓力損失小。
2.1.2、優(yōu)點(diǎn)
圖4 密封圈示意
(1)開(kāi)位的密封程度和閉位一致，介質(zhì)不會(huì )進(jìn)入閥腔，大幅降低了結焦可能性;
(2)壓力損失小。介質(zhì)流經(jīng)楔式閘閥時(shí)，因閥腔擴大，流速突變，形成渦流，造成壓力損失，而流經(jīng)導流式平板閘閥時(shí)，如同在直管內流動(dòng)，僅有輕微的沿程阻力損失;
(3)易維修，僅替換密封圈即可;
(4)平板閘閥的開(kāi)關(guān)行程偏差不如楔式閘閥那樣嚴格，故便于實(shí)現自動(dòng)控制和遙控;
(5)操作平穩省力，克服了楔式閘閥開(kāi)關(guān)力矩波動(dòng)大和閘板易被卡死的缺點(diǎn);
(6)閥板在開(kāi)關(guān)過(guò)程中，始終是在密封面上滑動(dòng)，密封圈起到清掃閥板的作用，不會(huì )嚙進(jìn)固體顆粒而損傷密封面;
(7)結構簡(jiǎn)單、可靠性高，比金屬密封成本低;
(8)密封圈壓在閥座的溝槽里，被金屬保護，流體的沖蝕小。
2.1.3、缺點(diǎn)
(1)軟密封的使用周期較金屬密封短，易被顆粒劃傷，影響使用壽命;
(2)在開(kāi)關(guān)過(guò)程中，閥板與密封圈之間不密封，裂解氣可經(jīng)過(guò)密封圈和導流孔形成的通道進(jìn)入閥腔，形成結焦;
(3)在關(guān)位，介質(zhì)壓力將閥板壓向出口側，在進(jìn)口密封圈和閥板之間形成細小間隙，造成泄漏。連續運行后，蒸汽會(huì )吹掉密封圈，引起更大的泄漏，形成結焦，造成閥板關(guān)閉不到位。
2.1.4、使用情況
軟密封平板閘閥是第一代裂解氣閥和清焦閥，20世紀80年代，國內如燕山、金山、揚子、齊魯、大慶等均采用此種閥型，為日本一之瀨(Ichi-nose)公司的產(chǎn)品。裂解氣閥的公稱(chēng)通徑為DN800(32in)，清焦閥的公稱(chēng)通徑為DN350(14in)，每家廠(chǎng)使用的數量約12臺，第一代產(chǎn)品均為縮徑，因而壓力損失大。
2.2、金屬密封平板閘閥
2.2.1、優(yōu)點(diǎn)
針對軟密封的不足，金屬密封平板閘閥進(jìn)行了三方面改進(jìn)，屬于第二代裂解氣閥和清焦閥(見(jiàn)圖5)。
圖5 金屬密封平板閘閥示意
密封圈采用多層金屬復合密封圈，包含多層金屬帶和非金屬帶。金屬帶是“骨架”，使復合密封圈具有一定的強度和剛度，保證耐磨性和使用壽命，保護非金屬帶不被介質(zhì)劃傷、撕裂或吹失。非金屬帶是“密封”，使復合密封圈具有適當的彈性，保證密封性，是密封的主體。金屬復合密封圈兼有非金屬和金屬密封的優(yōu)點(diǎn)，即密封可靠、耐磨損、使用壽命長(cháng)。
閥座上安裝有2塊導板，導板在閥板移動(dòng)時(shí)始終緊貼著(zhù)閥板，閥板在導板中無(wú)間隙地運動(dòng)，閥腔和流道之間始終處于隔離狀態(tài)，大幅提高了平板閘閥在開(kāi)關(guān)過(guò)程中的防焦性能。
早期的平板閘閥均為下置導流孔設計(見(jiàn)圖6)，導流孔位于閥板下部，上部為密封面，閥板下降時(shí)閥門(mén)關(guān)閉。在關(guān)閉過(guò)程中，密封圈和導流孔形成的通道位于下部，在重力的作用下，裂解氣經(jīng)過(guò)此通道進(jìn)入閥腔，形成結焦。新一代金屬密封平板閘閥改為上置導流孔設計(見(jiàn)圖7)，導流孔位于閥板上部，下部為密封面，閥板下降時(shí)閥門(mén)開(kāi)啟，閥板上升時(shí)閥門(mén)關(guān)閉。在關(guān)閉過(guò)程中，由密封圈和導流孔形成的通道位于上部，降低了結焦可能性。
圖6 下置導流孔示意
圖7 上置導流孔示意
2.2.2 使用情況
德國菲亞泰科(Friatec)的金屬密封平板閘閥，在國內有很多廠(chǎng)家使用，四川石化約28臺，蘭州石化約22臺。另外天津、齊魯、楊子也有少量使用。
2.3、雙閘板平行式閘閥
2.3.1、原理
雙閘板平行式閘閥是一種帶導流孔的平行式閘閥，兩個(gè)閘板安裝在眼鏡式的閥板架中，當閥門(mén)關(guān)閉時(shí)，兩閘板被楔塊撐開(kāi)緊密地壓在閥座上，形成強制密封。在閥門(mén)開(kāi)關(guān)過(guò)程中，導板始終緊貼著(zhù)閥板，閥板在導板中無(wú)間隙地運動(dòng)，形成浮動(dòng)密封，防止介質(zhì)在開(kāi)關(guān)過(guò)程中進(jìn)入閥腔。當閥門(mén)完全開(kāi)啟時(shí)，相當于直通管道，膨脹節和閥座形成彈性密封，防止介質(zhì)進(jìn)入閥腔。這種閥門(mén)的動(dòng)作分兩步：關(guān)閉時(shí)，閘板移動(dòng)到位后才膨脹密封;開(kāi)啟時(shí)，閘板收縮后再向上移動(dòng)打開(kāi)(見(jiàn)圖8)。
圖8 雙閘板平行式閘閥示意
此種閥門(mén)的特點(diǎn)是開(kāi)位密封，其原理見(jiàn)圖9所示。膨脹節由密封座、內管和波紋管組成，波紋管是彈性元件，兩端均和密封座焊接在一起，而內管僅有一端焊接在密封座上，另一端自由，使膨脹節具有膨脹性。膨脹節的密封力由兩部分組成：一是膨脹節在高溫下產(chǎn)生熱脹力;二是閥腔的蒸汽壓力高于內管中的介質(zhì)壓力，兩者之差使膨脹節膨脹。
2.3.2、優(yōu)點(diǎn)
圖9 膨脹節原理示意
(1)雙閘板平行式閘閥兼有楔式閘閥和平板閘閥的優(yōu)點(diǎn)，在閉位、開(kāi)位和開(kāi)關(guān)過(guò)程中均考慮了防焦措施，從理論上講閥腔不可能結焦;
(2)閥座密封面堆焊硬質(zhì)合金，使用周期長(cháng);
(3)閉位具有雙重密封功能;
(4)防焦性能好，開(kāi)位膨脹節彈性密封，開(kāi)關(guān)過(guò)程中全導板浮動(dòng)密封;
(5)在開(kāi)位和閉位，閥座被完全覆蓋，避免顆粒在閥座上堆積;
(6)閥板和閥座的摩擦小，使用壽命長(cháng);
(7)內部設置楔式機構，防脹死設計，適合于高溫工況;
(8)在開(kāi)位相當于直通管道，壓力損失小。
2.3.3、缺點(diǎn)
(1)結構復雜，活動(dòng)件多，可靠性降低;
(2)體積大、閥門(mén)重，制造成本高，需要安裝空間大;
(3)金屬閥座，維修難度大;
(4)閥體采用焊接結構，截面為矩形，閥體的剛度差。
2.3.4、使用情況
雙閘板平行式閘閥是由德國Zimmermann研制的，20世紀90年代后期，特別是最近幾年，有很多的用戶(hù)選擇此閥，是國內目前在線(xiàn)數量最多的一種閥型。
2.4、金屬密封蝶閥
2.4.1、原理
用作裂解氣閥和清焦閥的蝶閥均為三偏心金屬密封蝶閥(見(jiàn)圖10)。第一偏心是軸向偏心，指蝶板回轉軸線(xiàn)與密封面偏置一個(gè)距離，使密封面為連續360°;第二偏心是徑向偏心，蝶板回轉軸線(xiàn)與閥體流道中心線(xiàn)偏置一個(gè)距離，產(chǎn)生凸輪效應，可消除80%轉動(dòng)范圍內閥板與閥座的摩擦接觸;第三偏心是角偏心，閥座回轉軸線(xiàn)與閥體通道軸線(xiàn)形成一個(gè)角度，消除余下20%摩擦接觸。三偏心的最大特點(diǎn)是從根本上改變了密封機理，不再依靠閥座的彈性變形，而是完全依靠接觸壓力來(lái)達到密封效果。在關(guān)閉時(shí)產(chǎn)生的力主要是法向正壓力，而幾乎沒(méi)有切向力，解決了金屬閥座零泄漏這一難題。用作裂解氣閥和清焦閥的金屬密封蝶閥必須設計2種保護：一是閥座蒸汽保護系統，閥座上設計蒸汽吹掃，可以確保閥座密封面不會(huì )結焦;二是蝶板保護裝置，可在閥門(mén)全開(kāi)時(shí)，防止介質(zhì)中的顆粒在蝶板密封面上堆積。
圖10 三偏心金屬密封蝶閥的原理和保護設計
2.4.2、優(yōu)點(diǎn)
(1)重量輕，蝶閥比同材質(zhì)、同磅級、同口徑的閘閥平均重量輕80%，體積小70%，價(jià)格低40%;
(2)電動(dòng)執行機構的功率小，金屬密封三偏心蝶閥密封副在接觸和脫離的瞬間幾乎不發(fā)生相對摩擦，大幅降低了操作力矩;
(3)三偏心蝶閥利用扭矩切斷閥門(mén)，有較好的密封性能;
(4)開(kāi)關(guān)時(shí)間短;
(5)全關(guān)時(shí)蝶板與閥座不接觸，相互間不會(huì )產(chǎn)生滑動(dòng)，這樣既能減少密封面的損傷，又能延長(cháng)使用壽命;
(6)閥板密封面可更換，維護簡(jiǎn)單。
2.4.3、缺點(diǎn)
(1)蝶板和閥桿位于流道中，減小了流通面積，造成壓頭損失。而隨著(zhù)偏心數增加，閥板的厚度增加，則阻力增加，三偏心蝶閥的阻力損失比二偏心和中線(xiàn)蝶閥大;
(2)閥座暴露在介質(zhì)中，遭受腐蝕和沖刷，使用壽命短，顆粒易在閥座、閥板上堆積，造成閥門(mén)關(guān)閉不嚴;
(3)不能形成密封的腔體，蒸汽損耗量大，增加了下游設備的負荷;
(4)蝶閥的流通面積對開(kāi)關(guān)的偏差敏感，開(kāi)度稍不到位，壓降會(huì )急劇上升，影響裝置產(chǎn)能。
(5)蝶閥在切斷的可靠性方面低于閘閥。為實(shí)現雙截斷與排放(DBB)功能，蝶閥用作裂解氣閥時(shí)，通常采取雙閥配置，串聯(lián)使用，其中備閥具有事故工況下自動(dòng)關(guān)閉功能，提高可靠性。
2.4.4、使用情況
20世紀80年代后，三偏心金屬密封蝶閥才開(kāi)始用作裂解氣閥和清焦閥，主要有ADAMS公司的多層次密封蝶閥和MAPAG公司的M型蝶閥。
多層次密封蝶閥的密封面采用的是層壓式不銹鋼石墨材料，具有很高的強度和剛性，在高溫高壓下仍有良好的密封性能。
ADAMS蝶閥在茂名石化約20臺，中原石化有2臺。
MAPAG公司的M型蝶閥在蝶板的密封面上設計成M形，其結構見(jiàn)圖11，這樣就使得蝶板與閥體之間形成了雙重密封，加之采用上、下兩段式閥桿，增加了閥門(mén)的流通面積，壓力損失及操作扭矩要比單桿式的蝶閥小。蝶板表面為球面，這樣可以提高密封效果，又可以防止卡死。閥座是完全的金屬密封，不存在任何軟密封材料，是絕對的防火設計。MAPAG蝶閥在吉林石化共2臺。
圖11 三偏心金屬密封蝶閥示意
3、裂解氣閥和清焦閥的選型及使用應該注意的事項
3.1、選型時(shí)應該關(guān)注的性能
最重要的是防焦性能特別是開(kāi)位和開(kāi)關(guān)過(guò)程的防焦性能。防焦的根本是防止裂解氣進(jìn)入閥腔，技術(shù)核心是流道和閥腔的切斷性能，在開(kāi)位和中間位有密封性的閥門(mén)防焦性好，應優(yōu)先考慮。其次是耐顆粒性主要指密封面被保護，以免被顆粒覆蓋，造成密封失效。再次應當關(guān)注閥門(mén)壓力損失，以免影響系統產(chǎn)能;還要關(guān)注閥門(mén)連續使用周期和維修性能，也就是閥門(mén)的性?xún)r(jià)比。
3.2、使用時(shí)的注意事項
裂解氣閥和清焦閥是特殊閥門(mén)，是按使用條件而不是磅級進(jìn)行設計的，故訂貨時(shí)的使用條件要提準確，特別是管線(xiàn)的載荷條件，包括力和力矩，由大小和方向兩個(gè)要素構成，以便制造商在設計時(shí)進(jìn)行應力校核，模擬在線(xiàn)情況。管線(xiàn)載荷提得偏小，上線(xiàn)后閥體可能變形，造成動(dòng)作失靈。而管線(xiàn)載荷提得偏大，閥門(mén)過(guò)重，成本上升，增加管線(xiàn)負荷，由于閥門(mén)口徑很大，安裝位置又很高，增加壁厚必然增加吊裝的難度，也不便于維修。
公稱(chēng)通徑大于DN300(12in)的閥門(mén)，安裝時(shí)須加支撐，禁止用管線(xiàn)支撐閥門(mén)，閥門(mén)重量會(huì )使管線(xiàn)變形，增加管線(xiàn)應力，造成閥體變形動(dòng)作失靈。支撐的目的是閥門(mén)不給管線(xiàn)施加載荷，同時(shí)閥門(mén)可以在支撐面上滑動(dòng)，熱脹冷縮時(shí)管線(xiàn)又不給閥門(mén)施加載荷。
保持蒸汽持續吹掃閥體，加強巡檢，發(fā)現蒸汽管線(xiàn)變涼、堵塞，應立即疏通或更換，以免結焦。
4、結語(yǔ)
(1)裂解氣閥和清焦閥技術(shù)是隨著(zhù)催化裂化技術(shù)的發(fā)展而不斷完善起來(lái)的，最早使用的閥型是楔式閘閥，由于其結構上的缺陷如底部存在結焦區、閥桿的熱膨脹容易使密封面過(guò)荷和密封面暴露在介質(zhì)中容易夾雜固體顆粒等，逐漸被軟密封平板閘閥所替代。為滿(mǎn)足不斷延長(cháng)的生產(chǎn)周期的需要，催生了金屬密封平板閘閥和平行式閘閥，后者是專(zhuān)為裂解和清焦工藝而發(fā)明的閥型，被各大裂解爐制造商看好和推廣。目前，國內裂解氣閥和清焦閥絕大部分采用金屬密封閘閥，采用三偏心金屬密封蝶閥的較少。
(2)裂解氣閥和清焦閥技術(shù)的發(fā)展還體現在執行機構上，最早的閥門(mén)多為手動(dòng)，20世紀90年以后基本上為電動(dòng)，最近15年向智能化遠程控制發(fā)展，不僅可以進(jìn)行遙控操作，還可以進(jìn)行遙控調試，提高了閥門(mén)的交互式性能。
裂解氣閥和清焦閥技術(shù)的發(fā)展還體現在安全性上，為防止切換時(shí)裂解氣倒流和清焦管線(xiàn)超壓，發(fā)展了清焦閥連動(dòng)機構，進(jìn)行超壓保護。
(3)隨著(zhù)科技的進(jìn)步，還會(huì )出現新的新結構、新的閥型和新技術(shù)。
(4)裂解氣閥和清焦閥的選用是項十分重要的系統工程，只有訂貨條件提準確、選型科學(xué)、使用合理、維護保養及時(shí)才能保證其正常運行。
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