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故障原因与解决方法

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乙烯球罐区用低温球阀的设计－调节阀信息网

发表于 2016-11-29 21:33:44 | 1960 只看该作者回帖奖励

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电子人社区网讯：　　摘要：乙烯作为石油化工产业链中最为重要的基础有机原料之一，约有75%的石化产品是由乙烯来生产。由于乙烯的运输，储存及利用基本上都是以低温液态的形式进行，因此用于乙烯介质的低温阀门，其使用的稳定性很大程度上决定了石化产品是否能够安全，经济，可持续的生产。本文从现场工况，结构设计，工作原理，材料选择，零件处理工艺，和计算校核六个方面阐述乙烯球罐区低温球阀的设计方法。
　　关键字：低温球阀乙烯球罐

0 引言

2014年，世界乙烯总产能已经达到1.53亿吨/年，预计2015年将达到1.58亿吨/年。乙烯主要是用于生产聚乙烯、乙丙橡胶、聚氯乙烯等石化相关产品，具有极高的经济价值，但是乙烯具有毒性，会对人体有一定的危害和造成环境污染，并且能与空气形成爆炸性混合物，因此这对用于乙烯生产、运输中所使用的低温阀门提出了更高的设计要求。

1 工况及阀门参数介绍

国内某化工厂现场乙烯球罐区由六条管线组成，其中不合格乙烯、乙烯自烯烃分离I、乙烯自烯烃分离II压力为1.65Mpa（由MTO反应塔介质自重产生），合格乙烯出调I、合格乙烯出调II、倒罐线压力为3.2Mpa。正常生产时，现场需要两个罐同时工作才能满足要求，比如D罐进料，当液位达到规定值后F罐开始放料；但当阀门出现内漏时，由于管线设计原因，介质会出现窜罐或窜线的现象，导致倒罐的情况发生，比如D罐与F罐由于现场管线走向正好相反，在D罐未达到规定液位值时，液位下降，F罐液位反而上升，这就是由倒罐现象引起的。具体工艺流程与参数见图1和表1所示。

表1 现场工况参数

图1 现场工艺流程图

2 阀门设计

2.1 结构设计

目前市场上的低温球阀普遍采用软密封结构，依靠阀座自身的塑性变形与球芯实现密封。但软阀座的密封性能在低于－100℃低温环境下会被削弱；并且软阀座在运动的过程中会聚集静电，容易产生火花点燃介质引发爆炸，造成不堪设想的后果，因此根据GB/T24925－2010和BS6364标准的设计要求，软密封低温球阀需要在球芯和阀杆上设计泄压孔和导出静电装置，但由于采用球芯上打泄压孔的方式泄压，阀门只能选用单向密封结构，在实际安装和使用上都有一定的局限性；除此以外，在低温环境下，任何细小的颗粒硬度都会提升，当阀座和球芯硬度低于颗粒时，密封表面很容易被损伤、剥落，严重时还会造成阀门卡死的情况出现，因此软密封结构在－100℃以下的环境中工作并不是十分理想的选择。

　　由于此处乙烯球罐区阀门存在介质倒罐的情况，传统的单向密封低温球阀并不能满足使用要求，结合之前介绍的参数及工况情况，可采用如下组合方式重新进行结构设计：金属阀座双向密封（DIBII结构，表面硬化处理）固定球结构，自泄压、弹簧补偿、加长颈盖。具体结构如图2所示。

图2 低温球阀整体结构

　　2.2 材料选择
　　在低温环境下，一些常见金属材料的强度和韧性都会发生改变，因此为低温阀门选择正确的材质十分重要。
　　（1）阀体、上阀盖：选用奥氏体不锈钢。奥氏体不锈钢是面心立方结构，在-196℃下并没有低温脆性，因此在低温环境下也具有很好的塑性；
　　（2）阀杆：选用S20910氮强化奥氏体不锈钢。常温下其屈服强度大约是普通奥氏体不锈钢的2倍，在高温和低温环境下也表现出良好的机械性能，同时在抗腐蚀和氧化方面也表现优异；
　　（3）球芯和阀座：镍基自熔性合金具有耐磨、耐腐蚀和焊接性良好等特点，因此可以将基材选用奥氏体不锈钢，然后在其表面喷焊镍基自熔性合金，如球芯表面喷焊Ni60A（硬度可达HRC58～62），阀座密封面喷焊Ni55A（硬度可达HRC53～57）。通过喷焊不同牌号的合金，球芯和阀座相互之间存在一个硬度差，这样可以很好的保证阀门动作流畅性，避免卡死。

2.3 处理工艺

　　（1）深冷处理：低温环境下，由于分子振动幅度降低，间距变小，影响了材料表面的平整度，同时奥氏体会部分转变为马氏体，因为马氏体是体立心结构，晶格致密度也低于奥氏体，所以碳原子会占据体心立方点阵的位置，导致晶格沿C轴方向增长，从而体积发生变化引起内部应力的增加，产生密封面变形，因此在对零件进行精加工之前，需要进行2次深冷处理，这样可以确保奥氏体充分转变为马氏体，避免精加工之后的零件配合密封面在低温下发生翘曲变形。
　　（2）精加工表面处理：利用金属在常温状态下冷塑性的特点，通过对精加工密封表面进行超声波处理，在加工面上形成压应力，产生冷作硬化，可使零件表面的粗糙度（达到0.2um）显微硬度、耐磨性及耐腐蚀性得到提高，延长疲劳寿命。

2.4 阀门主要零部件工作原理介绍

　　（1）图3中，填料采用了在低温下延展性很小的石墨填料，主要由石墨盘根，和特殊角度设计的上、中、下填料组合而成，能保证装配好后的填料压缩量达到30%左右。其中中填料采用低密度石墨材质，在保证压缩量和密封性能的同时，也能与阀杆保持较低的摩擦力，降低阀门扭矩。
　　（2）由于低温阀门中腔压力超过介质压力33%时，压力必须泄出，才能保证阀门的安全性，对于现场管道存在倒罐的情况，阀门必须按DIBII结构设计才能同时保证密封和自泄压功能。图4中，DIBII结构由单活塞和双活塞阀座部件构成。单活塞阀座在中腔压力过大后，会自行泄压，保证阀门安全性，而双活塞阀座则是可以保证阀前，阀后均能满足密封效果。采用金属阀座结构密封，可以很好的避免静电产生；石墨密封环的使用可以保证阀门的防火性能，也可以与弹簧蓄能密封圈形成双重密封，减少阀门内漏的情况出现；弹簧的设计，可以使阀座与球芯密封面形成动态密封与补偿，提高了阀门的密封性。

（3）采用长颈上阀盖的设计，让填料远离低温介质，保证填料工作温度始终保持在0℃以上，保证了填料的密封性与使用寿命。通过三维建模，ANSYS软件分析结果可以看出，DN200口径用上阀盖在高度350mm时，填料函下端温度达到了0.3℃，符合了SPE77/200标准中对上阀盖长度的要求。

图3 零件超声波表面处理

图4 上阀盖温度分析

表2 阀门设计参数

2.5 计算校核

（1）阀座密封比压的校核

①钢与硬质合金的必须密封比压公式为：qMF=35+10P/

代入数据，可得qMF=8.9Mpa

②由于采用固定球结构，阀座与球芯为阀前密封，因此其计算比压公式如下：

代入数据，可得q=23.74Mpa

③查表可得，镍基合金滑动摩擦时的许用比压：［q］=80Mpa

为了满足密封要求，密封计算比压必须满足qMF＜q＜［q］，