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化工超低溫深冷閥門設(shè)計要求

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詳細介紹

石油化工超低溫深冷閥門設(shè)計要求

在目前的大中型乙烯裝置中,裂解氣中氫氣、甲烷等組分的分離多采用深冷分離;在煤制甲醇凈化裝置中也主要用到深冷分離技術(shù)。為滿足這一要求,低溫閥門被廣泛應(yīng)用,只有了解低溫閥的設(shè)計要求和特殊結(jié)構(gòu),在選用和安裝的過程中才不會出現(xiàn)問題。低溫閥門通常是指工作溫度在-40℃以下的閥門。主要用于乙烯,液化天然氣裝置,天然氣LPG、LNG儲罐,接受基地及衛(wèi)星站,空分設(shè)備,石油化工尾氣分離設(shè)備,液氧、液氫、液氮、液氬、二氧化碳低溫貯槽及槽車、變壓吸附制氧等裝置上。

近年來,低溫閥門的市場需求逐年上升,應(yīng)用領(lǐng)域也越來越廣泛,低溫閥門已成為閥門產(chǎn)品中的一個重要分支 。低溫閥門通常按其工作溫度分類,-100℃~-40℃之間的稱為低溫閥門,-100℃以下的稱為超低溫閥門(或深冷閥門),低溫低溫閥門,特別是溫閥門,其工作溫度極低。在設(shè)計這類閥門時,除了應(yīng)遵循一般閥門的設(shè)計原則外,還有一些特殊的要求。

  1 石油化工超低溫深冷閥門設(shè)計要求的設(shè)計要求

  根據(jù)使用條件,低溫閥的設(shè)計有下列要求:

  1.1 閥門不應(yīng)成為低溫系統(tǒng)的一個顯著熱源。這是因為熱量的流入除降低熱效率外,如流入過多,還會使內(nèi)部流體急速蒸發(fā),產(chǎn)生異常升壓,造成危險。

  1.2 低溫介質(zhì)不應(yīng)對手輪操作及填料密封性能產(chǎn)生有害的影響。

  1.3 直接與低溫介質(zhì)接觸的閥門組合件應(yīng)具有防爆和防火結(jié)構(gòu)。

  1.4 在低溫下工作的閥門組合件無法潤滑,所以需要采取結(jié)構(gòu)措施,以防止摩擦件擦傷。

低溫減壓閥13.jpg

產(chǎn)品特點

與介質(zhì)接觸的閥門零件在精加工前均按規(guī)范的要求進行嚴格的低溫處理,保證閥門零件能充分承受溫度變化而引起的膨脹、收縮,且閥座部分的結(jié)構(gòu)不會因溫度變化而產(chǎn)生變形;

采用能保護填料函的長頸閥蓋結(jié)構(gòu);

采用無論溫度如何變化均能保持可靠密封的閥瓣,閥瓣采用錐形閥瓣;

采用上密封座堆焊鈷鉻鎢硬質(zhì)合金結(jié)構(gòu),避免不銹鋼材料相互咬死;

采用鈷鉻鎢硬質(zhì)合金堆焊結(jié)構(gòu)的閥座、閥瓣密封面;

介質(zhì)流向為低進高出(從閥瓣下端流入);

閥桿表面滲氮硬化處理,防止閥門啟閉過程中的表面擦傷影響密封性能;

填料可按用戶要求選用低泄漏填料,確保閥門填料處的泄漏滿足環(huán)保要求;

可按用戶要求提供焊接袖管;

可按用戶要求提供絕緣板(滴水板)。

可按用戶要求采用低泄漏設(shè)計,詳細技術(shù)規(guī)格請參閱低泄漏樣本。

  2 石油化工超低溫深冷閥門設(shè)計要求的材料選用

  2.1 低溫閥主體材料

  2.1.1 主體材料選用應(yīng)考慮的因素

  從金相考慮,金屬材料中除了具有面心立方晶格的奧氏體鋼、銅、鋁等以外,一般的鋼材在低溫狀態(tài)下會出現(xiàn)低溫脆性,從而降低閥門的強度和使用壽命。選擇主體材料時首先要選用適合于低溫下工作的材料。

  鋁在低溫下不會出現(xiàn)低溫脆性,但因鋁及鋁合金的硬度不高,鋁密封面的耐磨、耐擦傷性能差,所以在低溫閥門中的使用有一定的限制,僅在低壓和小口徑閥中選用。除此以外,低溫閥門的材料選用還應(yīng)考慮以下一些因素:

  1)閥門的*低使用溫度;

  2)金屬材料在低溫下保持工作條件所需要的力學(xué)性能,特別是沖擊韌性、相對延伸率及組織穩(wěn)定性;

  3)在低溫及無油潤滑的情況下,具有良好的耐磨性;

  4)具有良好的耐蝕性;

  5)采用焊接連接時還需考慮材料的焊接性能。

  2.1.2 閥體、閥蓋、閥座、閥瓣(閘板)材料的選用

  這些主體零部件材料的選用原則大致是:溫度高于-100℃時選用鐵素體鋼;溫度低于-100℃時選用奧氏體鋼;低壓及小口徑閥門可選用銅和鋁等材料。設(shè)計時根據(jù)*低使用溫度選擇適當(dāng)?shù)牟牧稀?/p>

  2.1.3 閥桿及緊固件的材料選用

  溫度高于-100℃時,閥桿和螺栓材料采用Ni、,Cr-Mo等合金鋼,經(jīng)適當(dāng)?shù)臒崽幚恚蕴岣呖估瓘姸群头乐孤菁y咬傷等。溫度低于-100℃時,采用奧氏體不銹耐酸鋼制造。但18-8耐酸鋼硬度低,會造成閥桿與填料相互擦傷,致使填料處泄漏。所以,閥桿表面必須鍍硬鉻(鍍層厚0.04-0.06mm),或進行氮化和鍍鎳磷處理,以提高表面硬度。

  為防止螺母與螺栓咬死,螺母一般采用Mo鋼或Ni鋼,同時在螺紋表面涂二硫化鉬。

  2.2 低溫閥墊片、填料材料的選用

  在低溫閥門設(shè)計中,一方面由結(jié)構(gòu)設(shè)計來保證使填料處于接近環(huán)境溫度下工作,例如,采用長頸閥蓋結(jié)構(gòu),使填料函離低溫介質(zhì)盡量遠些,另一方面在選擇填料時要考慮填料的低溫特性。低溫閥中一般采用浸漬聚四氟乙烯的石棉填料。柔性石墨是新近發(fā)展起來的一種優(yōu)良的密封材料。低溫閥門也可采用無填料的波紋管密封結(jié)構(gòu),通常情況下使用多層波紋管。低溫閥門用墊片必須在常溫、低溫及溫度變化下具有可靠的密封性和復(fù)原性。由于墊片材料在低溫下會硬化和降低塑性,所以應(yīng)選擇性能變化小的墊片材料。使用溫度為-200℃,低溫*高使用壓力3MPa時,采用長纖維白石棉的石棉橡膠板。使用溫度為-200℃,*高使用壓力5MPa時,采用耐酸鋼帶夾石棉纏制而成的纏繞式墊片,或聚四氟乙烯和耐酸鋼帶繞制而成的纏繞式墊片。柔性石墨與耐酸鋼繞制而成的纏繞式墊片用于-200℃的低溫閥門上比較理想。

氣動低溫切斷閥5.jpg

  3 石油化工超低溫深冷閥門設(shè)計要求的特殊結(jié)構(gòu)

  低溫閥門主要有閘閥、截止閥、球閥、蝶閥、止回閥等型式,其主要結(jié)構(gòu)與一般閥門大致相同。

  3.1 閥體

  閥體應(yīng)能充分承受溫度變化而引起的膨脹、收縮。而且閥座部位的結(jié)構(gòu)不會因溫度變化而產(chǎn)生變形。

  3.2 閥蓋

  采用長頸閥蓋結(jié)構(gòu)。其目的在于能起保護填料函的功能。因為填料函的密封性是低溫閥的關(guān)鍵之一。該處如有泄漏。將降低保冷效果,導(dǎo)致液化氣體氣化。這是因為在低溫狀態(tài)下隨著溫度的降低,填料彈性逐漸消失,防漏性能隨之下降,由于介質(zhì)滲漏造成填料與閥桿處結(jié)冰,影響閥桿正常操作,同時也會因閥桿上下移動而將填料劃傷,引起嚴重泄漏。所以低溫閥門必須采用長頸閥蓋結(jié)構(gòu)形式。此外,長頸結(jié)構(gòu)還便于纏繞保冷材料,防止冷能損失。

  3.3 閥瓣

  閘閥采用撓性閘板或開式閘板;截止閥的平閥座及針形閥,采用塞子形的閥瓣。這些結(jié)構(gòu)形式不論溫度如何變化,均能保持可靠的密封。

  3.4 閥桿

  閥桿需鍍鉻、鍍鎳磷或經(jīng)氮化處理,以提高閥桿表面硬度,防止閥桿與填料、填料壓套(壓蓋)相互咬死,損壞密封填料,造成填料函泄漏。

  3.5 墊片

  墊片選用要考慮墊片材料的低溫性能,如壓縮回彈性、預(yù)緊力、緊固壓力分布以及應(yīng)力松弛特性等。

  3.6 填料函及填料

  填料函不能與低溫段直接接觸,而設(shè)在長頸閥蓋頂端,使填料函處于離低溫較遠的位置,在0℃以上的溫度環(huán)境下工作。這樣,提高了填料函的密封效果。在泄漏時,或當(dāng)?shù)蜏亓黧w直接接觸填料造成密封效果下降時,可以從填料函中間加入潤滑脂形成油封層,降低填料函的壓差,作為輔助密封措施。填料函多采用帶有中間金屬隔離環(huán)的二段填料結(jié)構(gòu)。但也有的采用一般閥門填料函結(jié)構(gòu)和閥桿能自緊的二重填料函結(jié)構(gòu)等其他型式。

  3.7 上密封

  低溫閥都設(shè)上密封座結(jié)構(gòu),上密封面要堆焊鈷鉻鎢硬質(zhì)合金,精加工后研磨。

  3.8 閥座、閥瓣(閘板)密封面

  低溫閥的關(guān)閉件采用鈷鉻鎢硬質(zhì)合金堆焊結(jié)構(gòu)。軟密封結(jié)構(gòu)由于聚四氟乙烯膨脹系數(shù)大,低溫變脆,所以僅適用于溫度高于-70℃的低溫閥,但聚三氟乙烯可用于-162℃的低溫閥。

  3.9 石油化工超低溫深冷閥門設(shè)計要求中法蘭螺栓

  3.9.1 螺栓應(yīng)有足夠的強度,這是因為螺栓在反復(fù)載荷下工作,常會因疲勞而產(chǎn)生斷裂。

  3.9.2 因螺栓在螺紋根部易引起應(yīng)力集中,所以*好采用全螺紋結(jié)構(gòu)的螺栓。

  3.10 預(yù)防異常升壓的措施

  閥門關(guān)閉后,閥腔內(nèi)會殘留一些液體。隨著時間的增加,這些殘留在閥腔里的液體會漸漸吸收大氣中的熱量,回升到常溫并重新氣化。氣化后,其體積激劇膨脹,約增加600倍之多,因而產(chǎn)生的壓力,并作用于閥體內(nèi)部。這種情況稱為異常升壓,這是低溫閥門*的現(xiàn)象。發(fā)生異常升壓現(xiàn)象時,會使閘板緊壓在閥座上,導(dǎo)致閘板不能開啟。這時,高壓會將中法蘭墊片沖出或沖壞填料;也可能引起閥體、閥蓋變形,使閥座密封性顯著下降;甚至閥蓋破裂,造成嚴重事故。為防止異常升壓現(xiàn)象發(fā)生,一般低溫閥門在結(jié)構(gòu)上采用以下措施:

  3.10.1 設(shè)置泄壓孔,又稱壓力平衡孔或排氣孔,即在彈性閘板或雙閘板進口側(cè)鉆一小孔,作為閥體內(nèi)腔和進口側(cè)的壓力平衡孔。當(dāng)閥腔壓力升高時,氣體可以通過小孔排出。這種方法比較簡單,目前已被廣泛采用。采用泄壓孔防止異常升壓,在閥體設(shè)計時,應(yīng)有指示流體流向的箭頭;安裝時,要注意泄壓孔的位置,保證泄壓孔通向介質(zhì)進口的一側(cè),泄壓孔開設(shè)在閘板上時,更要注意。泄壓孔開設(shè)的位置視閥門結(jié)構(gòu)而定,有的在閥體上;有的在閘板上。

  3.10.2 在閥門上設(shè)置引出管或安裝安全閥以排出異常高壓。一般是在閥蓋上裝一只安全閥。當(dāng)壓力升高到某一定值時,安全閥開啟,排放出異常高壓,保證閥體安全。也可在閥體下部安裝排氣閥,將閥體中腔內(nèi)的殘液排盡,以預(yù)防異常升壓的發(fā)生。

  4 石油化工超低溫深冷閥門設(shè)計要求的安裝要求

  了解了低溫閥的設(shè)計要求及特殊結(jié)構(gòu),在具體的安裝過程中要遵循如下原則:

  4.1 當(dāng)流體是液體時,低溫閥的閥桿應(yīng)向上安裝,防止閥門關(guān)閉后,閥腔內(nèi)會殘留一些液體,液體氣化造成異常升壓,閘板無法開啟。而且低溫閥的閥桿較長,安裝時應(yīng)引起重視。

  4.2 有泄壓孔的低溫閘閥,應(yīng)在閥體上標(biāo)記泄壓孔方向,并注意標(biāo)記不應(yīng)被保冷層覆蓋。見圖1。

低溫減壓閥12.jpg

  5 石油化工超低溫深冷閥門設(shè)計要求結(jié)論

  隨著石油化工裝置越來越大型化,如何降低能耗,節(jié)省投資成為一個主要問題。低溫閥門在整個裝置中占有相當(dāng)比例且費用較高,那么更好的選擇低溫閥門,正確的安裝低溫閥門至關(guān)重要。

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