氫氣加熱爐出口切斷球閥結構優(yōu)化設計
介紹了煤直接液化氫氣加熱爐出口切斷球閥的工況要求，分析了使用中球閥出現的問(wèn)題，論述了優(yōu)化設計后的閥門(mén)整體結構更加合理，性能更加可靠。
1、概述
煤直接液化工程開(kāi)拓了煤炭清潔轉化和高效利用的一條技術(shù)途徑，對國家能源戰略安全具有十分重要的意義。煤直接液化是將適合于液化工藝的煤制成煤漿，在煤液化反應器中反應制成液化粗油，再經(jīng)過(guò)加氫裂化、加氫精制和重整等工藝的組合將液化粗油加工成合格的汽油、柴油和航空煤油。在煤直接液化工藝過(guò)程中，氫氣不僅為反應提供適當壓力，滿(mǎn)足液化條件，而且還為反應物的液化過(guò)程提供氫源，從而參與液化反應。真空技術(shù)網(wǎng)(http://likelearn.cn/)認為氫氣加熱爐出口切斷球閥其密封的可靠性是保障裝置安全運行的重要條件。為確保加氫裝置平穩、可靠和安全的運行，針對閥門(mén)使用情況，進(jìn)行了優(yōu)化結構設計，使其更好的滿(mǎn)足工況條件及操作要求。
2、切斷球閥的技術(shù)要求
介質(zhì)氫氣；設計溫度565℃；設計壓力22. 6MPa；工作溫度538℃；工作壓力19. 037MPa；密封等級V 級( FCI 70.2-2013)
3、切斷球閥的結構分析及優(yōu)化設計
閥門(mén)采用兩段式鍛造閥體浮動(dòng)球閥結構( 圖1) 。右閥體上開(kāi)有工藝孔，閥桿從工藝孔裝入，右閥體閥座裝有碟簧，左、右閥體密封部位采用雙面楔形墊密封，填料壓蓋上用兩組碟簧加載。在煤直接液化裝置正常運行工況下，球閥處于開(kāi)啟狀態(tài)，未見(jiàn)異常。但是，在幾次事故處理過(guò)程中，閥門(mén)在關(guān)閉狀態(tài)下不能達到工況要求的密封等級。
3.1、閥體
兩段式鍛造閥體靜密封點(diǎn)少，可以避免因外連接過(guò)多( 如三段式鍛造閥體) 而引起的泄漏。采用鍛造成形工藝，可以保障金屬組織的致密度，適于臨氫工況的要求。閥門(mén)的左、右閥體及端蓋和右閥體的連接均采用雙面楔形墊密封，楔形墊外表面鍍金。雙面楔形墊屬于塑性墊徑向自緊式密封，達到一定的預緊力后即可實(shí)現有效的密封，表面鍍金可以補償雙面楔形墊表面的缺陷和增強耐蝕性，適于在高溫臨氫工況下使用。
1. 左閥體2. 右閥體3. 雙面楔形墊4. 端蓋5. 壓圈和內六角螺釘6. 球體7. 閥座8. 閥桿9. 氣動(dòng)裝置10. 填料11. 填料壓蓋12. 止推墊片13. 碟簧14. 碟簧組
圖1 切斷球閥
由于閥門(mén)為高溫臨氫工況，當外連接發(fā)生逸散性排放時(shí)，氫氣在大氣中達到4% ～ 75% 的體積比時(shí)，即可發(fā)生爆炸事故，因此外連接的密封需要安全可靠。針對這一要求，在保留閥門(mén)密封原有結構的同時(shí)，進(jìn)行結構優(yōu)化設計。在右閥體上開(kāi)槽，放入金屬O 形圈，分別與左閥體和端蓋形成密封( 圖2) 。
在金屬O 形圈的內側鉆有若干個(gè)小孔，由于管內具有與操作壓力相同的內壓，因而增加了自緊性，只要法蘭和緊固件具有足夠的強度和剛度，理論上可密封無(wú)限高的壓力，適用于超高壓場(chǎng)合，通常使用壓力可達到350MPa，有時(shí)可達700MPa，真空技術(shù)網(wǎng)(http://likelearn.cn/)認為這是金屬密封中承壓能力最高的結構。金屬O 形圈用圓管制作，表面粗糙度Ra = 1. 6μm，但外表面須鍍金，用以補償O 形圈管材表面缺陷和增強耐蝕性。鍍層厚度0. 03 ～ 0. 04mm，與O形圈相配合的接觸面Ra =1. 6μm( 電鍍時(shí)為3. 2μm) 。
3.2、球體與閥桿
球體( 圖3) 與閥桿( 圖4) 端部連接選用了矩形榫槽結構，這種結構承受載荷能力好，但當氫氣波動(dòng)時(shí)，煤漿會(huì )反流到榫槽的縫隙中產(chǎn)生結焦。當閥門(mén)關(guān)閉時(shí)，矩形榫槽的縫隙由于焦塊堵塞限制了球體的位移，因此閥門(mén)關(guān)閉時(shí)不能保證球體壓向閥座并形成密封比壓，因而也就不能實(shí)現有效密封，這是閥門(mén)密封性能不好的直接原因。針對這種情況，對球體和閥桿的連接部位進(jìn)行優(yōu)化結構設計，閥桿保持原結構不變，球體矩形槽的低壓端保證原尺寸不變，而高壓端加工成直通道( 圖5) 。閥門(mén)關(guān)閉時(shí)，球體在介質(zhì)壓差的作用下，將沿著(zhù)閥桿矩形長(cháng)邊的側面導向產(chǎn)生位移。在高壓介質(zhì)力的作用下，即便球體的球口產(chǎn)生微量變形，也能夠將球體緊緊壓向低壓端閥座，并遠超過(guò)實(shí)現密封的必需比壓，進(jìn)而實(shí)現密封，達到工況要求的密封等級。
1. 左閥體2. 金屬O形圈3. 雙面楔形墊4. 右閥體5. 端蓋6. 碟簧7. 壓圈和內六角螺釘8. 球體9. 氣動(dòng)裝置10. 閥桿11. 填料壓蓋12. 填料13. 止推墊片14. 閥座15. 盤(pán)片16. 碟簧組17. 導向套
圖2 優(yōu)化后的切斷球閥
圖3 球體
3.3、閥座密封
閥門(mén)高壓端閥座采用分離式，便于維修，但低壓端密封閥座固定在左閥體上，不利于密封。因為閥門(mén)關(guān)閉時(shí)，介質(zhì)力作用在球體上，將球體壓向低壓端閥座的同時(shí)，介質(zhì)作用力也作用于左閥體上，由于左、右體之間采用螺柱連接，在高溫及高壓介質(zhì)力作用下螺柱發(fā)生蠕變，導致低壓端閥座隨左閥體產(chǎn)生脫開(kāi)球體的微小位移，而球體和閥桿的榫槽結構限制了球體的位移，導致球體和低壓端閥座未能緊密接觸，沒(méi)有形成密封所需的必需比壓，因而不能實(shí)現閥門(mén)密封，這是閥門(mén)不能達到工況要求的密封等級的另一個(gè)重要原因。
圖4 閥桿
圖5 優(yōu)化后的球體
針對存在的問(wèn)題，對閥座進(jìn)行優(yōu)化設計。在保證原來(lái)閥座結構的前提下，將高壓端閥座與低壓端閥座及其組件對調安裝，即低壓端密封閥座安裝到右閥體上，避免了因介質(zhì)壓差作用而導致低壓端密封閥座產(chǎn)生脫開(kāi)球體的微小位移，從而確保閥門(mén)達到工況要求的密封等級。
3.4、填料及組件
閥門(mén)用2 組碟形彈簧安裝在壓蓋螺栓的螺母與壓蓋之間，形成動(dòng)載荷填料系統。因為碟形彈簧貯存了一定量的彈性能，當填料體積發(fā)生損失( 如摩擦、壓實(shí)、燒失等損耗) ，以及螺栓蠕變、填料松弛、振動(dòng)和不同熱膨脹等引起的填料與閥桿接觸力的下降，該彈性能可彌補填料應力的松弛，使填料在閥門(mén)運行期間保持密封，從而延長(cháng)了填料的使用壽命。因此，動(dòng)載荷填料系統適合溫度頻繁變化、壓力波動(dòng)、振動(dòng)或對泄漏要求嚴格( 低逸出) 等的重要場(chǎng)合。
經(jīng)現場(chǎng)拆檢分析，碟簧組用螺栓導向并處于壓平狀態(tài)，對螺栓而言，作為導向桿，既要承受軸向負荷，并且當碟簧發(fā)生橫向滑移時(shí)，還存在螺紋工作面被破壞的可能性，而這些情況對螺栓都是不利因素。對碟簧而言，長(cháng)期處于壓平狀態(tài)，在極限載荷狀態(tài)下工作，會(huì )產(chǎn)生蠕變和松弛，并且有發(fā)生疲勞斷裂的可能。對填料而言，要承受碟簧組壓平所施加的極限載荷，會(huì )由于扭矩過(guò)大而造成摩擦力過(guò)高，操作轉矩過(guò)大，并導致填料潤滑劑擠出，縮短填料的使用壽命。因此，在填料壓蓋和螺母之間加導向套，導向套兩端裝有經(jīng)硬化、磨削、拋光并少許涂油的盤(pán)片，碟簧組安裝在兩個(gè)盤(pán)片之間。這樣避免了螺栓因碟簧橫向滑移而破壞螺紋工作面，同時(shí)導向套的高度根據填料密封所需的最佳載荷，并考慮碟簧的最佳工作狀態(tài)進(jìn)行優(yōu)化設計，既保證填料有效密封，又使碟簧處于非壓平的最佳工作狀態(tài)，并能獲得補償，真正實(shí)現動(dòng)載荷填料系統的功能。
4、結語(yǔ)
通過(guò)對閥門(mén)結構的優(yōu)化設計改進(jìn)，解決了閥門(mén)的內漏問(wèn)題，避免了潛在的外漏風(fēng)險，保證了煤直接液化裝置氫氣加熱爐的安全平穩運行。
