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高壓平板閘閥在加氫裝置中的使用工況分析

時間: 2013-10-21 【字體:

 高壓加氫裝置是石油工業深加工的一種重要手段,通過加氫工藝,不但可以提高輕油回收率,而且能夠提高燃料油的質量,從而提高煉油廠的整體效益。 

根據原料油的不同,加氫工藝分為汽油加氫、柴油加氫、煤油加氫、渣油加氫等。由于介質的特殊性,加氫工藝一般具有高壓和臨氫狀態,并且伴隨有硫化氫氣體的產生,不僅操作壓力很高(一般在15~20MPa),而且介質為氫氣,易燃易爆。高壓氫氣具有很大的能量,一旦閥門出現問題,將產生不可挽回的損失,甚至導致重大事故的發生。
1 高壓閘閥使用工況分析
加氫裝置中使用的高壓閘閥,主要功能為緊急切斷和緊急放空。緊急切斷的介質為原料油、高低分液、高低分氣;緊急放空的介質為高分氣。原料油或高低分液都含有大量的氫氣和硫化氫氣體,壓力為6.2~17.2MPa左右,有時會伴隨著高溫。因為需要緊急處理,所以要求閘閥動作速度非?,在10s以內,而且要求實現零泄漏。
目前這類閥門主要依賴進口,一方面是由于位置重要,一般不敢嘗試使用國內產品;另一方面是國內很少有廠家能夠提供與國外產品性能相當的產品,包括材料選擇,加工制造,結構設計等。
2 閥門結構選擇原則
該公司參照國外的做法,采用氣動閘閥的結構。國內閘閥大體有兩種結構:楔形和平板閘閥,表1針對每種結構的具體特點進行分析,以選擇最理想的閘閥結構。

表1 楔形和平板閘閥的比較

  根據這四種閘閥的結構特點和加氫裝置的實際工況,該公司采用雙平板閘閥結構,閥體閥蓋采用自密封結構,可以滿足零泄漏、動作速度快、耐高溫高壓等要求。下面針對以上四種結構特點具體分析選擇平板閘閥的原因。
3 各種閘閥具體結構特點
3.1 常壓楔形閘閥(墊圈密封型閥蓋)
常壓楔形閘閥(墊圈密封型閥蓋)的結構如圖1所示。


圖1 楔形閘閥(墊圈密封型閥蓋)


執行機構的力作用在閥板上與閥座產生密封比壓,從而達到密封效果。閥蓋與閥體靠墊圈密封,密封壓力不大于4.1MPa,可設計上密封結構。當溫度高于400℃時,由于閥板的膨脹導致閥桿的向上膨脹,此時需要選擇氣動執行機構;如果選擇電動執行機構,則閥桿很容易出現彎曲或動作不良現象。
在高溫、長期關閉狀態下,閥打開時容易出現卡死現象,這是由于內外膨脹的不均勻性所致。該閥不可應用于危險性介質,如氫氣等,當快速關閉時閥板對閥座會產生極大的沖擊力,容易產生火花而出現危險狀況。
3.2 楔形閘閥(自密封型閥蓋)
楔形閘閥(自密封型閥蓋)的結構如圖2所示。


圖2 楔形閘閥(自密封型閥蓋)


自密封結構可承受6.2MPa以上的壓力,采用上密封結構,其他特點和楔形閘閥(墊圈密封型閥蓋)相同。
3.3 平板閘閥(楔形轉平行)
平板閘閥(楔形轉平行)的結構如圖3所示。
執行機構推動右側閥板通過楔形面,從而使平行閥板與閥座產生密封比壓,達到密封效果?勺龀缮厦芊饨Y構和自密封閥蓋結構,以承受更高壓力。但是閥門在關閉時不能承受高溫,也不能長期在高溫下關閉,這一點與楔形閘閥相同。


圖3 平板閘閥(楔形轉平行)


3.4 平板閘閥(絕對平板閘閥)
平板閘閥(絕對平板閘閥)的結構如圖4所示。
依靠介質壓力推動前閥板,壓縮后閥板,后閥板與閥座產生密封比壓,達到嚴密關斷效果。閥前壓力越大,密封效果越好,特別適用于高溫高壓場合。因為該閥關閉時閥前與型腔貫通,所以可長期高溫關閉。此外,該閥沒有沖擊密封力,可用于危險介質開關,動作平穩。因為閥板可上下自由膨脹,所以可配置電動執行機構,不會出現卡死現象;該結構已經獲得發明專利。


圖4 絕對平板閘閥


4 閥體及閥內件材料的選擇及制造
因為介質基本上為氫氣或含氫介質,同時也伴隨硫化氫氣體,所以所有材料的選擇應特別慎重,必須符合NACE MR0175抗硫化物腐蝕材料標準中的規定,特別是與介質接觸的零部件。
對于加氫裝置中介質的特點,筆者認為采用鍛造的閥體結構最合理。鑄造結構的閥體,一方面其鑄造壁厚余量不大,另一方面容易出現鑄造缺陷,如金屬夾雜、氣孔、裂紋等缺陷,導致氫氣的積聚,誘發裂紋,同時也容易出現氫脆現象;在高溫情況下還容易出現脫碳現象,從而加速氫腐蝕的進程。另外,大壁厚的鑄造在國內還不成熟,很難避免出現以上問題。因此,筆者采用鍛造方式。
除了采用鍛造結構外,應該對有害的金屬元素S,P進行控制,將其質量分數控制在0.02%以內,最大質量分數只能放寬到0.03%;非金屬夾雜物要求不高于2.5級;晶粒度:碳鋼與合金鋼不低于5級,不銹鋼不低于8級,厚度大于100mm時不低于6級。
除了對承壓件的材料控制外,對生產過程中的氯離子也應該嚴格控制,尤其是填料和產品試壓時,氯離子質量分數應小于5×10-5,應采用氮氫混合氣進行試壓。即使采用水壓進行試驗,也一定要控制水中的氯離子,使其質量分數合格后方可進行。
所有的材料及焊接部位,都要嚴格進行UT探傷,探傷合格級別為I級。
閥門選擇的主要材料有A105碳鋼,304,316,321,347不銹鋼等。其中閥板、閥座、自密封部分選用硬質司太立合金材料,堆焊材料牌號分別為STL12,STL6,STL21,從而確保了不同零件的硬度使用要求,而且所有的堆焊層厚度不得小于2mm。經過以上的材料控制和生產控制,完全能夠滿足加氫裝置的要求。
5 結束語
加氫裝置使用的緊急切斷和緊急放空閘閥,應根據不同的工況進行選擇,不可盲目地選擇閘閥結構。如在高溫高壓的情況下,不可選擇楔形閘閥,只能選擇平板閘閥結構。同時,在高溫高壓下選擇執行機構時,也需要注意高溫膨脹性,最好選擇氣動執行機構來進行高溫膨脹補償。若一定要選擇電動執行機構,則必須選擇平板閘閥結構。
該公司研發的平板閘閥廣泛應用在加氫裝置、電廠蒸汽系統、高壓乙烯、合成氨等緊急切斷和緊急放空的安全保護系統中,使用效果非常好;閥門經第三方機構進行了動作壽命試驗,滿足10萬次后仍達到零泄漏的目標。同時該閥門的使用,改善了平行高溫高壓閘閥長期以來依賴進口的局面。

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