閥門知識

1 概述

高壓加氫工藝是石油深加工的一個重要手腕，它不只能進步單位原油的輕油收回率。而且能進步燃料油的質(zhì)量，從而進步煉油廠的整體效益。高壓加氫安裝還能為石油化工安裝提供優(yōu)質(zhì)的原料，也是油品脫硫的理想安裝。我國從 90 年代開端了高壓加氫安裝的建立，估計今后的幾年中，隨著我國煉外油量的逐年增加，高壓加氫安裝的建立仍將是石化行業(yè)的一大熱點，各大石化企業(yè)也都想藉此進步其煉油的程度和才能，以迎接參加 WTO 的應(yīng)戰(zhàn)。

2 工況條件

高壓加氫安裝的介質(zhì)環(huán)境有 2 個突出的特性，即高壓和臨氫（并隨同硫化氫）操作。

高壓操作不只僅是由于其操作壓力高（普通為 14-20 MPa），而且還在于其介質(zhì)為易燃易爆的高壓氣體（氫氣或油氣+氫氣）。高壓氣體貯存了較大的壓力能．一旦其儲輸設(shè)備（包括管道閥門）損壞，惹起的事故將是災(zāi)難性的。

臨氫并隨同硫化氫操作。標明了對儲輸設(shè)備資料的苛刻請求。氫氣是一種能浸透到金屬資料內(nèi)部并在常溫或高溫下惹起資料變性（惡化）的介質(zhì)，常溫下能惹起金屬資料的脆化和變形等，高溫下能招致金屬資料內(nèi)部和外部脫碳。硫化氫對金屬資料的腐蝕也是一個非常棘手的問題，常溫下它能惹起許多金屬資料的應(yīng)力腐蝕開裂，高溫下它能惹起金屬資料的快速平均腐蝕。一切的這些特性都對高壓加氫閥門的資料、構(gòu)造設(shè)計和強度設(shè)計等提出了嚴厲的請求。

3 需求狀況

高壓加氫安裝中的閥門，既有臨氫條件，又有非臨氫條件，既有高壓條件，又有非高壓條件。本文僅討論高壓臨氫條件下應(yīng)用的閥門，這類閥門固然數(shù)量不多，但其價錢卻占有較大的比例。此類閥門有閘閥、截止閥、止回閥、球閻和旋塞閥，壓力等級為 ASME 的 CL900~2500，溫度為常溫至 400℃，主體資料有 ASTMA105、A182—F11/F22/F321、A216—WCB、A217—WC6／WC9、A351—CF8C，閥門直徑為 DN15-400 mm。這些閥門的功用與普通閥門相同，但國內(nèi)目前尚不具備成套供給的才能，主要緣由在于閥門制造廠與用戶（特別是工程設(shè)計部門）溝通聯(lián)絡(luò)不夠，不理解閥門的運用條件和請求，短少一套與介質(zhì)條件相順應(yīng)的技術(shù)文件、模具和圖紙等，而且缺步工業(yè)化批量消費的經(jīng)歷。

開發(fā)高壓加氫安裝中的閥門，不只能降低閥門價錢。而且可減少供貨周期，便當補充訂貨，同時又能推進閥門行業(yè)的開展。事實上，我國目前一些閥門制造廠已具備消費高壓加氫閥門的才能和條件，而且在加氫精制安裝（操作壓力 8~10 MPa）上已有勝利的應(yīng)用。

性能良好的閥門，其設(shè)計、制造、檢查實驗及質(zhì)量控制等各個方面和各個環(huán)節(jié)都做的比擬好。本文以其中的幾個主要問題（包括閥門的內(nèi)漏、外潺、強度設(shè)計、資料、檢查實驗及質(zhì)量控制），分離高壓加氡安裝的介質(zhì)條件停止討論。

4 內(nèi)漏和外蔣的控制

閥門內(nèi)漏和外漏控制的好壞是反映閥門質(zhì)量的一個重要參數(shù)，制造廠均采取各種措施以盡量減少閥門的內(nèi)漏和外漏。油品和氫氣的外漏和內(nèi)漏不只會污染環(huán)境，還易惹起火災(zāi)或爆炸。閥門的內(nèi)漏主要發(fā)作在閘板處，外漏主要發(fā)作在閥桿填料和閥蓋墊片處，故要取得良好的密封性能就要從這 3 處著手。

4.1 填料密封外漏

對 DN ≥ 50mm 的閘閥和截止閥，在閥桿密封處采用柔性石墨環(huán)和柔性石墨編織填料是國外翻造廠的普遍做法。其中填料的最上圈和最下圈采用柔性石墨編織環(huán)，以應(yīng)用其強度較高（與模壓石墨環(huán)相比）的特性阻止石墨被擠入閥腔或閻外，中間則采用模壓石墨環(huán)（有時也在中間恰當?shù)奈恢迷鲈O(shè)編織環(huán)）。由于柔性石墨的活動性好，有減磨性，同時石墨還具有良好的物理和化學穩(wěn)定性，因而用它作為填料既可取得良好的密封，又可減少對閥桿的磨損。關(guān)于填料函尺寸較小的球閥、旋塞閥和小口徑的閘閥和截止閥，則僅用柔性石墨編織填料即可。

填料在裝填過程中停止預(yù)緊縮也是保證良好密封（特別是長期良好密封）的措旋之一。國內(nèi)的閥門在填料裝填過程中大多數(shù)僅限于壓實填料，故其密封性隨應(yīng)用時間增長而變差。國外某些閻門產(chǎn)品在填料裝填過程中采用了 28 MPa 的預(yù)壓力，且設(shè)計了專用的預(yù)緊縮工具，因而它能維持較長時間的良好密封。當然，填料的預(yù)壓力太大，將增加對閥桿的磨損，增加閥門的開啟力，因而此時應(yīng)在填料選擇和閥桿外表處置上停止改良。采用以柔性石墨環(huán)為主的填料可減少閥桿的磨損，同時也可降低閥門的開啟扭矩。

還有一些閥門在填料壓蓋處采用了“活載”構(gòu)造。即在填料壓蓋的螺栓上增設(shè)碟簧，使填料壓蓋一直作用于填料上較大的壓力，從而可避免因壓蓋螵栓松弛或填料松弛而形成的外漏。

4.2 墊片密封外漏

對 DN ≥ 50mm 的閘閥、截止閥和止回閥，可采用壓力密封閥蓋。而關(guān)于球閥、旋塞閥（多為下閥蓋）和 DN ≤ 40mm 的閘闊、截止閥和止回閥，普通采用法蘭銜接閥蓋。壓力密封闊蓋的密封有 2 處，其一為閾蓋與環(huán)墊片（圖 1）的接觸處，其二為環(huán)墊片與閥體的接觸處。國外的一些閥門產(chǎn)品，將環(huán)墊片與閥蓋的接觸面設(shè)計成變角度圓弧過渡面，使它與閥蓋的密封為線密封，從而顯著進步了其緊密性，但它增加了環(huán)墊片的加工難度。還有將環(huán)墊片外表及相應(yīng)的閥體密封面鍍上一層銀，由于銀的塑性較好，容易填充密封面上的微觀孔隙，因而大大進步了閥蓋墊片處的密封性能。

圖 1 壓力密封閥蓋的環(huán)墊片

關(guān)于法蘭銜接閥蓋構(gòu)造，大多數(shù)制造商采用了纏繞式墊片，由于纏繞式墊片彈性好，回彈率高，在保證穩(wěn)定性的狀況下更容易保證密封。與纏繞式墊片相配的閥蓋密封采用了箱式構(gòu)造，行將墊片置于閥蓋與閥體相接的特制槽內(nèi)，從而保證了纏繞式墊片的穩(wěn)定性（即不會因較大的密封比壓而使墊片失穩(wěn)），同時又增加了介質(zhì)走漏的阻力。事實證明，這樣的密封構(gòu)造比擬好。

4.3內(nèi)漏

①閘閥

國內(nèi)外各制造廠的閘板構(gòu)造設(shè)計上無太大的差異，普通 DN ≤ 40mm 的閘閥采用楔形整體閘板，而 DN ≥ 50mm 的閘閥則采撓性楔形閘板。只需密封面加工精度到達請求，這種構(gòu)造能夠滿足初期密封請求。但運用者希望閥門可以堅持持久的良好密封。普通狀況下，初期密封容易做到，而要做到長期密封良好則是一件不容易的事情。這里給出 2 個改良倒子供參考。其一是努力進步閘板導(dǎo)軌的精度，使它與閘板堅持較小的配合間隙，以減少閘板與閥座的不平均磨損，從而保證較長的密封壽命。導(dǎo)軌普通是與閥體整體鑄造的，而且不容易停止機加工，故與閘板的配合間隙較大，倡議制造廠給予這方面的關(guān)注。其二是思索閘板和閥座下部的腐蝕。由于當閥門處于半開半關(guān)的位置時，會構(gòu)成高速的介質(zhì)流，它將對介質(zhì)流經(jīng)的區(qū)域產(chǎn)生嚴重的沖刷，又由于硫化氫與金屬的腐蝕產(chǎn)物附著力很低，極易被高速介質(zhì)沖走，從而加速了金屬的腐蝕，即構(gòu)成沖刷腐蝕。避免沖刷腐蝕的措施可從選擇良好的資料動手，即在相應(yīng)的部位上堆焊適宜的硬質(zhì)合金資料。一些制造廠除了在密封面上堆焊硬質(zhì)合金外，還在閘板和閥座的下部一定范圍內(nèi)也堆焊了硬質(zhì)合金，以避免非密封面的沖刷腐蝕，這樣做雖與閥門的密封性關(guān)系不大，但對閥門整體來說有益。

②截止閥

首先要保證閥瓣與閥座的加工精度以取得一個良好的初期密封。在防沖刷腐蝕方面，國外某制造商采用了階梯式閥瓣構(gòu)造（圖 2），即在閥門開啟或關(guān)閉的過程中，閥瓣上的非密封臺階首先構(gòu)成較小的流道，以接受沖刷腐蝕，而閥瓣和閥座的密封面則不再直接接受沖刷腐蝕，或緩解了其沖刷腐蝕的水平。

1.閥座；2.閥瓣
圖 2 截止閥階梯式閥瓣

③球閥

應(yīng)采用偏心或其他無摩擦的球體構(gòu)造及金屬對金屬的密封方式。這是由于該構(gòu)造密封牢靠性高，火災(zāi)平安性好，無摩擦，延長了閥門的有效壽命。

④旋塞閥

國外普通采用倒錐形均衡式閥芯（即旋塞）構(gòu)造（圖 3）。普通 CL ≤ 300 等級采用機械均衡式構(gòu)造，CL ≥ 600 等級采用壓力均衡式構(gòu)造，既能保證良好的密封，又可減少密封面金屬的磨損。國外某制造廠則在此根底上對旋塞停止了噴塑處置，從而儉省了定期注密封劑的維護工作量。

1.閥體；2.旋塞
圖 3 倒錐形壓力均衡式旋塞閥

5 閥門強度設(shè)計

閥門的承壓部件都應(yīng)停止強度剖析和強度設(shè)計，這些部件主要包括閥體、閥蓋、閘板和閥蓋螺栓等。對截止閥來說，有時（依據(jù)構(gòu)造不同）尚須對閥座部分停止強度枝核。而作為非承壓部件的閥桿也是必需停止強度設(shè)計的一個重要部件。所謂的強度設(shè)計應(yīng)包括強度和剛度 2 局部。

國外一些主要的閥門標準如 ANSIB16.34 和 API600 都給出了閥門主要零部件的最小壁厚（直徑），國內(nèi)的一些制造廠都直接采用（或略大于）這些標準值作為設(shè)計尺寸，并且不再停止強度設(shè)計。這樣做是不嚴厲的，由于①閥門的內(nèi)件構(gòu)造不同，閥上腔的構(gòu)造尺寸不同，因而其計算壁厚也不同。閥門的外觀構(gòu)造特別是外形突變處的處置不同，其計算應(yīng)力值特別是應(yīng)力集中的程度也不同，最終也可能招致計算壁厚不同。②大多數(shù)閥體為鑄件，而冶煉條件較差，原資料來源復(fù)雜的閥門廠，其鑄件資料的性能差異較大。鑄件資料的性能又與其自身的鑄造缺陷（如偏析、枝晶組織、夾雜、氣孔、疏松和裂紋等）有關(guān)，而且起伏變化較大，從而形成強度計算的根底數(shù)據(jù)（多么用應(yīng)用）的差別較大。③不同的應(yīng)用環(huán)境，其腐蝕狀況不同，應(yīng)思索的腐蝕裕量不同。由于這些要素的影響，關(guān)于高壓臨氫閥門來說，對其有關(guān)的零部件停止強度和／或剛度計算就顯得非常必要，由于稍有過失，可能會帶來嚴重的結(jié)果。

目前國內(nèi)大多數(shù)閥門廠均采用數(shù)學剖析法停止閥門的強度和／或剛度計算。這種辦法既費力又費時，計算精度也比擬差，特別是關(guān)于零部件的外形突變處，它不能準確地求出其應(yīng)力程度。而國外的大多數(shù)閥門廠都采用了有限元剖析法，它既快又準確。關(guān)于高壓且請求苛刻的閥門來說，采用有限元法停止零部件的強度和／或剛度剖析是必要的。

6 資料

高壓加氫安裝的操作條件不只對資料的牢靠性有較高的請求，而且其介質(zhì)（如氫氣和硫化氫）自身對資料性質(zhì)也有較高的請求，即介質(zhì)對資料自身存在的缺陷比擬敏感。假如資料中有非金屬夾雜、夾渣、氣孔、裂紋等不連續(xù)缺陷，容易招致氫氣的積聚，常溫下會因其構(gòu)成的部分高壓而惹起氫變形，以至誘發(fā)微裂紋，同時也會使資料脆性惡化（氫脆）。高溫下，這些缺陷更利于氫致內(nèi)部脫碳的停止，從而加快資料氫腐蝕決裂的進程。而硫化氫介質(zhì)則對資料的外部不連續(xù)缺陷比擬敏感，特別是在濕硫化氫環(huán)境下，外部的不連續(xù)缺陷常常成為應(yīng)力腐蝕開裂的誘因。因而，減少或限翻閥門承壓部件中的缺陷是保證其牢靠性，延長其運用壽命的關(guān)鍵要素之一。

閥門承壓部件的制造辦法有鑄造和鍛造 2 種。鍛造件不存在氣孔、疏松、大尺寸圓形夾雜、柱狀組織和枝晶組織等缺陷，而且金屬致密，綜合機械性能好，牢靠性高，因而鍛造是嗣造高壓加氫阿門承壓部件的理想辦法。但思索到大多數(shù)承壓部件的外形比擬復(fù)雜，而且它們中有很多超越了普通模鍛的尺寸，故國內(nèi)外大多數(shù)閥門廠關(guān)于 DN＞50 mm 閥門的主要承壓部件仍采用鑄件。為了保證鑄件質(zhì)量，應(yīng)從冶煉、鑄造工藝和焊補 3 個主要方面停止控嗣。冶煉對資料質(zhì)量的影響是最根底的影響要素。不同的冶煉辦法，得到的資料質(zhì)量差異也比擬大。目前國內(nèi)閥門廠普遍采用電爐冶煉，而國外的大多數(shù)閥門廠則采用 VOD 或 AOD 冶煉辦法。VOD／AOD 與電爐冶煉相比，其有益合金元素燒損少，資料成分更容易接近理想狀態(tài)，而且脫氣性好，有害雜質(zhì)元素少，故取得的資料質(zhì)量也就比擬高。鑄造工藝是影響資料性能的關(guān)鍵要素，它觸及到了鑄膜資料選擇、木模外模型觸及、澆鑄溫度控制和澆鑄辦法選擇等方面?？傊?，有利于改善鑄件質(zhì)量的鑄造工藝如精細鑄造、壓力鑄造和真空澆鑄等應(yīng)作為閥門制造廠今后的開展方向。

焊樸是處置鑄件缺陷的一種彌補措施。大多數(shù)鑄件都是需求焊補修理的，假如缺陷超標就給予報廢，將會增加閥門的消費本錢。但每個閥門的焊樸數(shù)量、焊補面積和焊樸次數(shù)等應(yīng)有限制，由于焊補區(qū)的金屬不同于鑄造金屬，焊補數(shù)量越多，焊補面積越大，形成鑄造金屬的不平均性越嚴重，從而招致資料的綜合性能降落。每次焊補都相當于給鑄件一次加熱，而屢次對鑄件加熱會給它帶來一系列不利的影響，故閥門的焊補次數(shù)也應(yīng)有所限制。ASTM 標準中對鑄造資料的焊補提出了一定的請求，但其請求偏低，國外大多效閥門制造商的鑄件焊補控制程度均比 ASTM 規(guī)則的嚴厲。實踐上，鑄件焊補的控制還反映了鑄件資料的質(zhì)量與消費本錢之間的均衡關(guān)系，因而關(guān)鍵還是要進步鑄件的鑄造質(zhì)量，盡量減少鑄造缺陷。

7 檢查與實驗

閥門的強度（水壓）實驗、密封實驗及必要的無損探傷是權(quán)衡閥門能否合格的必要條件，但井不是權(quán)衡一個閥門好壞的充沛條件，至少對高壓加氫閥門來說，它們尚不能完整反映一個閥門的綜合質(zhì)量。以閥門的密封為例，普通狀況下，只需保證密封件的機加工精度，就容易經(jīng)過冷態(tài)下的工廠密封實驗，但它并不代表閥門在長期運用（特別是在高溫、高壓工作工況）條件下也能堅持良好的密封。一旦閥門部件呈現(xiàn)磨損、腐蝕、應(yīng)力松弛、變形和資料變性等問題。將會影響到閥門的密封性能，嚴重時會使密封失效。而部件金屬組織的穩(wěn)定性和平均性、部件構(gòu)造形成的部分應(yīng)力程度等，都會從某種水平上影響到資料的腐蝕、應(yīng)力松弛、變形和變性等問題。而資料的這些問題都是無損探傷和冷態(tài)下的壓力實驗無法檢查的。

關(guān)于普通介質(zhì)上應(yīng)用的中低壓閥門來說，上述的問題可能不存在或者不突出，而對高壓臨氫條件下應(yīng)用的閥門，這些問題將是不可疏忽的。因而，對高壓臨氫用閥門。應(yīng)對其停止全方位的檢查實驗。由于閥門承壓零部件的資料質(zhì)量（特別是鑄件資料）對閥門的運用壽命影響較大。故就承壓鑄件的檢查實驗作進一步討論。

鑄件資料的質(zhì)量主要取決于其消費過程（如冶煉工藝、制造工藝等），而對其產(chǎn)品停止的各種檢查實驗僅僅是對其質(zhì)量考核的一種手腕，它并不能改動資料的質(zhì)量。因而，閥門零部件在開端工業(yè)消費行進行系統(tǒng)的、科學的工藝評定就顯得尤為重要。而工藝評定中的質(zhì)量定位又直接決議了資料（產(chǎn)品）的質(zhì)量。結(jié)臺高壓加氫安裝的介質(zhì)特性，在此提出其主要承壓零部件在工業(yè)消費前應(yīng)停止的工藝評定項目。

①外觀檢查 應(yīng)按 MSSSP-55 所列項目逐項檢查。

②化學成分剖析 包括爐前剖析和產(chǎn)品剖析，特別應(yīng)關(guān)注有害雜質(zhì)元素（如硫、磷、砷、銻、氫和氨等）的剖析。化學成分剖析應(yīng)按相應(yīng)的 ASTM 規(guī)范停止。

③機械性能實驗 包括拉伸實驗（同時測試出拉伸強度、屈從強度、延伸率和截面收縮率，并停止斷口剖析）、彎曲實驗、沖擊實驗和硬度檢驗等。機械性能實驗應(yīng)按相應(yīng)的 ASTM 規(guī)范停止。

④宏觀組織檢驗 包括氣孔、裂紋、疏松、央渣、大尺寸非金屬夾雜物、硫磷偏析等缺陷的檢驗。檢驗按 ASTME381 等規(guī)范停止。

⑤微觀組織檢查 包括偏析、條（桂）狀組織、枝晶組織、晶粒度、小尺寸非金屬夾雜物等缺陷的檢驗。對奧氏體資料，還應(yīng)包括鐵索體含量的測定。檢驗按 ASTME38l/E45/E112 等規(guī)范停止。

⑥無損檢查 包括 RT、UT、MT、PT 等檢查。并給出適合的合格指標和合格率控制指標。無損檢查宜分別按 MSSSP—54、ASTMA388、ASTMAA275、ASTMB165（Practice B）規(guī)范經(jīng)行。

⑦晶問腐蝕實驗 僅對奧氏體不銹鋼資料才有此請求。試按 ASTME262（Practice E）規(guī)范停止。

⑧焊接性能實驗 包括拉伸、彎曲、沖擊、硬度和無損探傷檢驗。

⑨閥體爆破實驗 液體爆破實驗按 ANSTB31.2 規(guī)范停止。在滿足一定控制指標的狀況下，經(jīng)過工藝評定而肯定的工藝參數(shù)才干作為消費參數(shù)，并在工業(yè)消費中嚴厲執(zhí)行，才干取得滿足高壓臨氫應(yīng)用條件的高質(zhì)量閥門。

8 質(zhì)量控制

國產(chǎn)閥門的質(zhì)量問題更多的是呈現(xiàn)在管理上。由于中國的眾多制造業(yè)者在產(chǎn)品制造的每個工序上并不是都有一個詳細的、詳盡的而且實在可行的作業(yè)規(guī)程，即便有了這樣一個規(guī)程，也不能保證每個工作人員都不折不扣的接規(guī)程作業(yè)。正由于如此，才招致了許多國產(chǎn)產(chǎn)品的質(zhì)量不如國外產(chǎn)品。目前，國內(nèi)大多數(shù)閥門廠，都獲得了 ISO9000 的質(zhì)量認證，它從某種水平上強化了閥門消費過程的質(zhì)量管理。但是，還要注重技術(shù)文件的樹立，由于產(chǎn)品的先進與否主要取決于技術(shù)文件的先進性。

9 結(jié)語

影響閥門質(zhì)量的要素較多，要消費出高質(zhì)量的閥門，必需在各個方面都要做好。時值信息時期，閥門制造廠也應(yīng)走進來，多與外界停止交流，與用戶（包括工程設(shè)計部門）停止交流。理解產(chǎn)品需求，理解閥門的運用介質(zhì)工況，只要這樣，才干消費出合適的產(chǎn)品，才干博得市場。與國外閥門消費商交流。能夠理解先進技術(shù)和新產(chǎn)品，并用于改良我們的產(chǎn)品。