上海申弘閥門有限公司
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之前介紹JIS日標不銹鋼截止閥標準，現(xiàn)在介紹石油化工閥門耐火試驗要求介紹了國內(nèi)外閥門耐火試驗的相關標準，總結了耐火試驗對閥門的影響。針對這些影響因素，分析了有耐火試驗要求的閥門在設計過程中要考慮的設計要點，包括密封件的選用，法蘭結構設計，閥座密封結構設計，閥門內(nèi)腔結構的設計等。
1、石油化工閥門耐火試驗要求概述
石化行業(yè)和一些重要工況下使用的閥門，要求在發(fā)生火災之后還能保證一定的密封和啟閉性能。閥門樣機也需要經(jīng)過耐火試驗考核通過后才能投入使用。因此，閥門在設計時要考慮到耐火試驗的影響，從根本上保證閥門的耐火性能。石化行業(yè)對石化通用閥門和閥門的需求
石油化工是指以石油、天然氣為原料生產(chǎn)汽油、煤油、柴油、潤滑油及液化石油氣等石油產(chǎn)品;以輕質(zhì)油為原料生產(chǎn)烯烴、芳烴進而生產(chǎn)合成樹脂、合成纖維、合成橡膠及各種化工原料等產(chǎn)品的現(xiàn)代工業(yè)。
石化行業(yè)有煉油廠、乙烯廠、化纖廠、化工廠、化肥廠等，現(xiàn)在已有不少大型聯(lián)合企業(yè)成為煉油、化工一體化的工廠。煉油廠生產(chǎn)裝置分為一次加工、二次加工、三次加工裝置以及輔助生產(chǎn)裝置。一次加工裝置是采用物理直餾的方法加工原油，獲得的產(chǎn)品稱為直餾產(chǎn)品，所用裝置為常減壓蒸餾裝置。二次加工裝置是利用一次加工出來的產(chǎn)品進行再加工，是物理-化學過程。目的是提高輕烴收率，提高產(chǎn)品質(zhì)量，增加油品品種、提高煉油廠經(jīng)濟效益，所用裝置有催化裂化、加氫精制、加氫裂化、延遲焦化、潤滑油生產(chǎn)裝置等安全閥。
乙烯廠：石化廠生產(chǎn)裝置中，乙烯裂解是個裝置。下游裝置包括樹脂系列如聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、ABS;化纖系列包括滌綸、腈綸、維綸、錦綸。
閥門：石化閥門是石油化工生產(chǎn)裝置中的zui多的設備，石化生產(chǎn)中各類氣體和液體介質(zhì)都要通過各種閥門，按照生產(chǎn)過程需要被阻斷或輸送到各種容器和過程設備中去。石化生產(chǎn)常用的閥門分為通用閥門和閥門，石化通用閥門包括閘閥、截止閥、球閥、止回閥、蝶閥、減壓閥、安全閥、調(diào)節(jié)閥等;石化閥門包括催化裂化裝置中的滑閥和高溫蝶閥、延遲焦化裝置中的四通切換閥和堵焦閥、乙烯裂解裝置中的高溫裂解平板閘閥和低溫閥、聚乙烯和聚丙烯裝置中的固體閥門、合成氨裝置中的高溫高壓角式截止閥和節(jié)流閥等。
石化通用閥門：國內(nèi)閥門制造業(yè)遍布全國，通用閥門生產(chǎn)企業(yè)達到1300個，已成為閥門產(chǎn)量和市場需求量zui大的國家之一。但是我國的閥門行業(yè)大多為中小企業(yè)，良莠不齊，年產(chǎn)值超億元的只有十幾家，即使與國內(nèi)其他機械行業(yè)相比，無論在裝置上還是技術水平上也存在很大的差距，真正具有獨立研究開發(fā)產(chǎn)品能力的單位很少。全國閥門產(chǎn)品規(guī)格型號達到40000多個，大部分已經(jīng)實現(xiàn)標準化、系列化，而且有的已經(jīng)可以按照標準生產(chǎn)。閥門的zui高使用溫度已經(jīng)達到570℃，zui低溫度達到-196℃、zui高壓力達到600MPa，zui大通徑達到5350mm。一般通用閥門基本滿足石化生產(chǎn)的大部分需要，但特種閥門如安全閥、截止閥、止回閥等產(chǎn)品，由于密封材料少，密封材料配對不當，熱處理工藝達不到要求，影響了閥門性能和使用壽命。自動閥門如安全閥、減壓閥、疏水閥等，缺乏試驗研究手段，有些產(chǎn)品性能不穩(wěn)定。蝶閥、節(jié)流閥等控制閥，由于缺少試驗手段，普遍沒有調(diào)節(jié)特性曲線和阻力系數(shù)曲線。電動執(zhí)行機構控制水平較低，控制不靈，精度不高。
2、石油化工閥門耐火試驗要求相關標準
國內(nèi)外有關閥門耐火試驗的常用標準有JB/T 6899-1993、API 607-2010、API 6FA-1999、API6FD-2008和ISO 10497-2010等。不同的標準考核不同類型的閥門(表1) 。閥門耐火試驗標準的規(guī)定主要包括耐火試驗時間，試驗溫度，閥門泄漏測試方法，耐火試驗后閥門的操作方法等( 表2) 。
不同類型的閥門要根據(jù)客戶要求，依據(jù)相應的標準進行耐火試驗認證。相同結構的閥門，可以按照標準規(guī)定的覆蓋評定原則進行評定，不需要對每種規(guī)格的閥門都進行耐火試驗考核。通過對各個標準的綜合分析和試驗驗證，使閥門在耐火試驗過程中滿足耐火試驗的閥門特點及設計要求。通過不同類型閥門的耐火試驗驗證，閥門在耐火試驗過程中出現(xiàn)的主要問題有外密封泄漏、閥座密封泄漏、閥門零件卡阻和閥體局部開裂等。
(1) 閥門外密封泄漏
耐火試驗持續(xù)30min 以上，閥體表面溫度達到680 ～980℃，閥體內(nèi)腔溫度高達600℃，這些會造成密封件燒毀，法蘭及緊固件熱膨脹或熱變形等，從而導致密封失效，泄漏超標。
表1 閥門標準及相關試驗閥門類型
閥門耐火密封結構的設計與分析
(2) 閥座密封泄漏
閥門經(jīng)過長時間的高溫會造成閥座燒毀、閥座與閥體脫離或閥座變形等情況，影響閥門的密封。
表2 閥門試驗技術規(guī)范
閥門耐火密封結構的設計與分析
(3) 閥門零件卡阻，無法啟閉或密封
零件高溫下變形、膨脹和應力釋放，導致閥門啟閉卡阻，影響正常操作，或者導致密封失效，不能達到密封效果。
(4) 局部閥體開裂
閥體內(nèi)的介質(zhì)在高溫環(huán)境中氣化，造成閥腔局部壓力過高，引起泄漏或閥體開裂。
3、密封材料
閥門在耐火試驗中產(chǎn)生外泄漏的部位包括閥桿的填料密封，中法蘭的墊片密封，和其他與外部接觸的密封部位，產(chǎn)生內(nèi)泄漏的部位主要是閥座密封。閥門設計中用到的密封件可以劃分為橡膠類密封件，石棉類密封件，塑料類密封件，石墨類密封件，復合類密封件( 表3) 。表3 各種密封件使用環(huán)境閥門耐火密封結構的設計與分析
在閥門耐火試驗中，閥體外部達到680 ～980℃，測溫塊中熱電偶的測量溫度高達650℃，且持續(xù)保持30min。因此，如果閥門選用的主密封材料不能滿足耐火試驗的密封要求，就需要增加輔助密封結構，保證閥門的密封性能。
通過對各種密封材料的使用溫度對比，石棉類、石墨類和復合類密封件的耐火性能較好，通常用來作為閥門的常規(guī)密封或輔助密封。考慮到石棉類的密封件被大部分國家和地區(qū)禁止使用，石墨類密封件和金屬+ 石墨類復合密封件是耐火設計閥門中的*選擇。
4、密封結構
(1) 中法蘭
閥門的中法蘭或其他法蘭結構是閥門在耐火試驗中的主要外泄漏點。根據(jù)多次耐火試驗證明，閥門中法蘭泄漏量占閥門總泄漏量的85% ～97%。
法蘭在耐火試驗中泄漏的主要原因在于高溫環(huán)境下，緊固件和法蘭發(fā)生高溫蠕變，造成密封系統(tǒng)應力松弛，墊片殘余壓緊力不足，zui終導致泄漏量增大，密封失效。
有耐火試驗要求的閥門在設計選材時，法蘭、緊固件和密封材料要盡量選用熱膨脹系數(shù)接近的材料，降低不同材料間熱膨脹系數(shù)對閥門密封的影響。
閥門及緊固件常用材料熱膨脹系數(shù)如表4 所示。緊固件的應變應考慮彈性應變和高溫蠕變的綜合影響，則εb為
εb = εbe + εbc(1)
式中εb———緊固件的總應變
εbe———緊固件的彈性應變
εbc———緊固件的高溫蠕變
表4 閥門用主要材料熱膨脹系數(shù)
閥門耐火密封結構的設計與分析
耐火試驗閥門的中法蘭密封件多采用金屬纏繞石墨墊片。金屬纏繞石墨墊片的試驗溫度，設計壓力，墊片加工過程中的殘余壓緊應力對耐火試驗過程中的泄漏量有著較大的影響。墊片的泄漏率L 為閥門耐火密封結構的設計與分析
(2) 閥座
上海申弘閥門有限公司主營閥門有：截止閥,電動截止閥有耐火性能要求的閥座密封要考慮正常使用工況下的密封和耐火試驗下的密封2 種情況。金屬密封閥座的閥門在耐火試驗中的內(nèi)泄漏會有所上升，但是通常都能夠達到試驗的要求。其zui主要的影響在于閥座的熱變形導致閥座與閥體之間的卡阻現(xiàn)象，從而造成耐火試驗后閥門無法正常啟閉，或啟閉力矩過大。因此，此類閥門在設計時，要根據(jù)閥門的熱膨脹脹系數(shù)計算閥桿與軸套，閥座與閥體等配合件之間的配合間隙，避免出現(xiàn)間隙配合轉化為過盈配合，增大啟閉力矩。
非金屬密封的閥門在高溫時閥座會被燒毀或損壞。閥門在設計時要增設二次密封閥座。二次密封閥座在設計時要考慮到密封面粗糙度，閥座補償間隙，閥座密封性能等因素的影響( 表5) 。表5 非金屬密封閥座補償結構常見問題及解決方法閥門耐火密封結構的設計與分析
(3) 密封腔體
很多閥門會有一個密閉的腔體，如球閥的中腔，閘閥的中腔，旁通類閥門的平衡腔等。在常規(guī)的使用條件下，密封腔體不會影響到閥門的性能。但是，在耐火試驗時，密閉腔體中的介質(zhì)氣化，導致腔體壓力急劇升高。試驗證明，在密閉腔體中且介質(zhì)為水時，密閉腔體的壓力能夠升高達到13 倍，極易造成閥體開裂，或密封損壞。
為避免此類情況的發(fā)生，閥門內(nèi)部的密閉腔體必須要設計卸壓結構。閥門中腔的卸壓結構分為自泄壓結構和裝置泄壓結構兩種形式。自泄壓結構就是利用閥門的內(nèi)腔結構特點，在高壓環(huán)境中自動實現(xiàn)泄壓功能，比如球閥的SPE 閥座結構。裝置泄壓結構，是指在閥門結構加裝高壓卸載結構，閘閥的閥體泄壓閥等。
5、結語
有耐火試驗要求的閥門在進行設計時，要綜合考慮高溫、局部高壓和材料的熱膨脹系數(shù)等因素對閥門的材料、密封性能和啟閉力矩等因素的影響。針對不同的閥門類型的問題，提前給出解決方案，實現(xiàn)閥門的密封可靠性，保證閥門的耐火性能要求。與本文相關的產(chǎn)品有不銹鋼波紋管密封安全閥
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