閥門(mén)知識

1 概述

高壓加氫工藝是石油深加工的一個(gè)重要手腕，它不只能進(jìn)步單位原油的輕油收回率。而且能進(jìn)步燃料油的質(zhì)量，從而進(jìn)步煉油廠(chǎng)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(kāi)端了高壓加氫安裝的建立，估計今后的幾年中，隨著(zhù)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(diǎn)，各大石化企業(yè)也都想藉此進(jìn)步其煉油的程度和才能，以迎接參加 WTO 的應戰。

2 工況條件

高壓加氫安裝的介質(zhì)環(huán)境有 2 個(gè)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．一旦其儲輸設備（包括管道閥門(mén)）損壞，惹起的事故將是災難性的。

臨氫并隨同硫化氫操作。標明了對儲輸設備資料的苛刻請求。氫氣是一種能浸透到金屬資料內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部和外部脫碳。硫化氫對金屬資料的腐蝕也是一個(gè)非常棘手的問(wèn)題，常溫下它能惹起許多金屬資料的應力腐蝕開(kāi)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(mén)的資料、構造設計和強度設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(mén)，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用的閥門(mén)，這類(lèi)閥門(mén)固然數量不多，但其價(jià)錢(qián)卻占有較大的比例。此類(lèi)閥門(mén)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(mén)直徑為 DN15-400 mm。這些閥門(mén)的功用與普通閥門(mén)相同，但國內目前尚不具備成套供給的才能，主要緣由在于閥門(mén)制造廠(chǎng)與用戶(hù)（特別是工程設計部門(mén)）溝通聯(lián)絡(luò )不夠，不理解閥門(mén)的運用條件和請求，短少一套與介質(zhì)條件相順應的技術(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(kāi)發(fā)高壓加氫安裝中的閥門(mén)，不只能降低閥門(mén)價(jià)錢(qián)。而且可減少供貨周期，便當補充訂貨，同時(shí)又能推進(jìn)閥門(mén)行業(yè)的開(kāi)展。事實(shí)上，我國目前一些閥門(mén)制造廠(chǎng)已具備消費高壓加氫閥門(mén)的才能和條件，而且在加氫精制安裝（操作壓力 8~10 MPa）上已有勝利的應用。

性能良好的閥門(mén)，其設計、制造、檢查實(shí)驗及質(zhì)量控制等各個(gè)方面和各個(gè)環(huán)節都做的比擬好。本文以其中的幾個(gè)主要問(wèn)題（包括閥門(mén)的內漏、外潺、強度設計、資料、檢查實(shí)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 內漏和外蔣的控制

閥門(mén)內漏和外漏控制的好壞是反映閥門(mén)質(zhì)量的一個(gè)重要參數，制造廠(chǎng)均采取各種措施以盡量減少閥門(mén)的內漏和外漏。油品和氫氣的外漏和內漏不只會(huì )污染環(huán)境，還易惹起火災或爆炸。閥門(mén)的內漏主要發(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(zhù)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(chǎng)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(shí)也在中間恰當的位置增設編織環(huán)）。由于柔性石墨的活動(dòng)性好，有減磨性，同時(shí)石墨還具有良好的物理和化學(xué)穩定性，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(guò)程中停止預緊縮也是保證良好密封（特別是長(cháng)期良好密封）的措旋之一。國內的閥門(mén)在填料裝填過(guò)程中大多數僅限于壓實(shí)填料，故其密封性隨應用時(shí)間增長(cháng)而變差。國外某些閻門(mén)產(chǎn)品在填料裝填過(guò)程中采用了 28 MPa 的預壓力，且設計了專(zhuān)用的預緊縮工具，因而它能維持較長(cháng)時(shí)間的良好密封。當然，填料的預壓力太大，將增加對閥桿的磨損，增加閥門(mén)的開(kāi)啟力，因而此時(shí)應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(shí)也可降低閥門(mén)的開(kāi)啟扭矩。

還有一些閥門(mén)在填料壓蓋處采用了“活載”構造。即在填料壓蓋的螺栓上增設碟簧，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(mén)產(chǎn)品，將環(huán)墊片與閥蓋的接觸面設計成變角度圓弧過(guò)渡面，使它與閥蓋的密封為線(xiàn)密封，從而顯著(zhù)進(jìn)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(guān)孔隙，因而大大進(jìn)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)于法蘭銜接閥蓋構造，大多數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造，行將墊片置于閥蓋與閥體相接的特制槽內，從而保證了纏繞式墊片的穩定性（即不會(huì )因較大的密封比壓而使墊片失穩），同時(shí)又增加了介質(zhì)走漏的阻力。事實(shí)證明，這樣的密封構造比擬好。

4.3內漏

①閘閥

國內外各制造廠(chǎng)的閘板構造設計上無(wú)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，這種構造能夠滿(mǎn)足初期密封請求。但運用者希望閥門(mén)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(cháng)期密封良好則是一件不容易的事情。這里給出 2 個(gè)改良倒子供參考。其一是努力進(jìn)步閘板導軌的精度，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(cháng)的密封壽命。導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(chǎng)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(mén)處于半開(kāi)半關(guān)的位置時(shí)，會(huì )構成高速的介質(zhì)流，它將對介質(zhì)流經(jīng)的區域產(chǎn)生嚴重的沖刷，又由于硫化氫與金屬的腐蝕產(chǎn)物附著(zhù)力很低，極易被高速介質(zhì)沖走，從而加速了金屬的腐蝕，即構成沖刷腐蝕。避免沖刷腐蝕的措施可從選擇良好的資料動(dòng)手，即在相應的部位上堆焊適宜的硬質(zhì)合金資料。一些制造廠(chǎng)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(mén)的密封性關(guān)系不大，但對閥門(mén)整體來(lái)說(shuō)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(gè)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造（圖 2），即在閥門(mén)開(kāi)啟或關(guān)閉的過(guò)程中，閥瓣上的非密封臺階首先構成較小的流道，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

應采用偏心或其他無(wú)摩擦的球體構造及金屬對金屬的密封方式。這是由于該構造密封牢靠性高，火災平安性好，無(wú)摩擦，延長(cháng)了閥門(mén)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）構造（圖 3）。普通 CL ≤ 300 等級采用機械均衡式構造，CL ≥ 600 等級采用壓力均衡式構造，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(chǎng)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(mén)強度設計

閥門(mén)的承壓部件都應停止強度剖析和強度設計，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(lái)說(shuō)，有時(shí)（依據構造不同）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計的一個(gè)重要部件。所謂的強度設計應包括強度和剛度 2 局部。

國外一些主要的閥門(mén)標準如 ANSIB16.34 和 API600 都給出了閥門(mén)主要零部件的最小壁厚（直徑），國內的一些制造廠(chǎng)都直接采用（或略大于）這些標準值作為設計尺寸，并且不再停止強度設計。這樣做是不嚴厲的，由于①閥門(mén)的內件構造不同，閥上腔的構造尺寸不同，因而其計算壁厚也不同。閥門(mén)的外觀(guān)構造特別是外形突變處的處置不同，其計算應力值特別是應力集中的程度也不同，最終也可能招致計算壁厚不同。②大多數閥體為鑄件，而冶煉條件較差，原資料來(lái)源復雜的閥門(mén)廠(chǎng)，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據（多么用應用）的差別較大。③不同的應用環(huán)境，其腐蝕狀況不同，應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(mén)來(lái)說(shuō)，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(guò)失，可能會(huì )帶來(lái)嚴重的結果。

目前國內大多數閥門(mén)廠(chǎng)均采用數學(xué)剖析法停止閥門(mén)的強度和／或剛度計算。這種辦法既費力又費時(shí)，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力程度。而國外的大多數閥門(mén)廠(chǎng)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(mén)來(lái)說(shuō)，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、裂紋等不連續缺陷，容易招致氫氣的積聚，常溫下會(huì )因其構成的部分高壓而惹起氫變形，以至誘發(fā)微裂紋，同時(shí)也會(huì )使資料脆性惡化（氫脆）。高溫下，這些缺陷更利于氫致內部脫碳的停止，從而加快資料氫腐蝕決裂的進(jìn)程。而硫化氫介質(zhì)則對資料的外部不連續缺陷比擬敏感，特別是在濕硫化氫環(huán)境下，外部的不連續缺陷常常成為應力腐蝕開(kāi)裂的誘因。因而，減少或限翻閥門(mén)承壓部件中的缺陷是保證其牢靠性，延長(cháng)其運用壽命的關(guān)鍵要素之一。

閥門(mén)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(mén)承壓部件的理想辦法。但思索到大多數承壓部件的外形比擬復雜，而且它們中有很多超越了普通模鍛的尺寸，故國內外大多數閥門(mén)廠(chǎng)關(guān)于 DN＞50 mm 閥門(mén)的主要承壓部件仍采用鑄件。為了保證鑄件質(zhì)量，應從冶煉、鑄造工藝和焊補 3 個(gè)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。目前國內閥門(mén)廠(chǎng)普遍采用電爐冶煉，而國外的大多數閥門(mén)廠(chǎng)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作為閥門(mén)制造廠(chǎng)今后的開(kāi)展方向。

焊樸是處置鑄件缺陷的一種彌補措施。大多數鑄件都是需求焊補修理的，假如缺陷超標就給予報廢，將會(huì )增加閥門(mén)的消費本錢(qián)。但每個(gè)閥門(mén)的焊樸數量、焊補面積和焊樸次數等應有限制，由于焊補區的金屬不同于鑄造金屬，焊補數量越多，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(huì )給它帶來(lái)一系列不利的影響，故閥門(mén)的焊補次數也應有所限制。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(mén)制造商的鑄件焊補控制程度均比 ASTM 規則的嚴厲。實(shí)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(qián)之間的均衡關(guān)系，因而關(guān)鍵還是要進(jìn)步鑄件的鑄造質(zhì)量，盡量減少鑄造缺陷。

7 檢查與實(shí)驗

閥門(mén)的強度（水壓）實(shí)驗、密封實(shí)驗及必要的無(wú)損探傷是權衡閥門(mén)能否合格的必要條件，但井不是權衡一個(gè)閥門(mén)好壞的充沛條件，至少對高壓加氫閥門(mén)來(lái)說(shuō)，它們尚不能完整反映一個(gè)閥門(mén)的綜合質(zhì)量。以閥門(mén)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(guò)冷態(tài)下的工廠(chǎng)密封實(shí)驗，但它并不代表閥門(mén)在長(cháng)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(mén)部件呈現磨損、腐蝕、應力松弛、變形和資料變性等問(wèn)題。將會(huì )影響到閥門(mén)的密封性能，嚴重時(shí)會(huì )使密封失效。而部件金屬組織的穩定性和平均性、部件構造形成的部分應力程度等，都會(huì )從某種水平上影響到資料的腐蝕、應力松弛、變形和變性等問(wèn)題。而資料的這些問(wèn)題都是無(wú)損探傷和冷態(tài)下的壓力實(shí)驗無(wú)法檢查的。

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

鑄件資料的質(zhì)量主要取決于其消費過(guò)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(shí)驗僅僅是對其質(zhì)量考核的一種手腕，它并不能改動(dòng)資料的質(zhì)量。因而，閥門(mén)零部件在開(kāi)端工業(yè)消費行進(jìn)行系統的、科學(xué)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)消費前應停止的工藝評定項目。

①外觀(guān)檢查 應按 MSSSP-55 所列項目逐項檢查。

②化學(xué)成分剖析 包括爐前剖析和產(chǎn)品剖析，特別應關(guān)注有害雜質(zhì)元素（如硫、磷、砷、銻、氫和氨等）的剖析?；瘜W(xué)成分剖析應按相應的 ASTM 規范停止。

③機械性能實(shí)驗 包括拉伸實(shí)驗（同時(shí)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(shí)驗、沖擊實(shí)驗和硬度檢驗等。機械性能實(shí)驗應按相應的 ASTM 規范停止。

④宏觀(guān)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 等規范停止。

⑤微觀(guān)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，還應包括鐵索體含量的測定。檢驗按 ASTME38l/E45/E112 等規范停止。

⑥無(wú)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(wú)損檢查宜分別按 MSSSP—54、ASTMA388、ASTMAA275、ASTMB165（Practice B）規范經(jīng)行。

⑦晶問(wèn)腐蝕實(shí)驗 僅對奧氏體不銹鋼資料才有此請求。試按 ASTME262（Practice E）規范停止。

⑧焊接性能實(shí)驗 包括拉伸、彎曲、沖擊、硬度和無(wú)損探傷檢驗。

⑨閥體爆破實(shí)驗 液體爆破實(shí)驗按 ANSTB31.2 規范停止。在滿(mǎn)足一定控制指標的狀況下，經(jīng)過(guò)工藝評定而肯定的工藝參數才干作為消費參數，并在工業(yè)消費中嚴厲執行，才干取得滿(mǎn)足高壓臨氫應用條件的高質(zhì)量閥門(mén)。

8 質(zhì)量控制

國產(chǎn)閥門(mén)的質(zhì)量問(wèn)題更多的是呈現在管理上。由于中國的眾多制造業(yè)者在產(chǎn)品制造的每個(gè)工序上并不是都有一個(gè)詳細的、詳盡的而且實(shí)在可行的作業(yè)規程，即便有了這樣一個(gè)規程，也不能保證每個(gè)工作人員都不折不扣的接規程作業(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，國內大多數閥門(mén)廠(chǎng)，都獲得了 ISO9000 的質(zhì)量認證，它從某種水平上強化了閥門(mén)消費過(guò)程的質(zhì)量管理。但是，還要注重技術(shù)文件的樹(shù)立，由于產(chǎn)品的先進(jìn)與否主要取決于技術(shù)文件的先進(jìn)性。

9 結語(yǔ)

影響閥門(mén)質(zhì)量的要素較多，要消費出高質(zhì)量的閥門(mén)，必需在各個(gè)方面都要做好。時(shí)值信息時(shí)期，閥門(mén)制造廠(chǎng)也應走進(jìn)來(lái)，多與外界停止交流，與用戶(hù)（包括工程設計部門(mén)）停止交流。理解產(chǎn)品需求，理解閥門(mén)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(chǎng)。與國外閥門(mén)消費商交流。能夠理解先進(jìn)技術(shù)和新產(chǎn)品，并用于改良我們的產(chǎn)品。