浅谈低温阀的设计及安装要求

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)惠生工程<中国>有限公司 作者:陆志强

  在目前的大中型乙烯装置中,裂解气中氢气、甲烷等组分的分离多采用深冷分离;在煤制甲醇净化装置中也主要用到深冷分离技术。为满足这一要求,低温阀门被广泛应用,只有了解低温阀的设计要求和特殊结构,在选用和安装的过程中才不会出现问题。

  低温阀门,特别是超低温阀门,其工作温度极低。在设计这类阀门时,除了应遵循一般阀门的设计原则外,还有一些特殊的要求。

1、低温阀门的设计要求

  根据使用条件,低温阀的设计有下列要求:

  1.1、阀门不应成为低温系统的一个显著热源。这是因为热量的流入除降低热效率外,如流入过多,还会使内部流体急速蒸发,产生异常升压,造成危险。

  1.2、低温介质不应对手轮操作及填料密封性能产生有害的影响。

  1.3、直接与低温介质接触的阀门组合件应具有防爆和防火结构。

  1.4、在低温下工作的阀门组合件无法润滑,所以需要采取结构措施,以防止摩擦件擦伤。

2、低温阀的材料选用

  2.1、低温阀主体材料

  2.1.1、主体材料选用应考虑的因素

  从金相考虑,金属材料中除了具有面心立方晶格的奥氏体钢、铜、铝等以外,一般的钢材在低温状态下会出现低温脆性,从而降低阀门的强度和使用寿命。选择主体材料时首先要选用适合于低温下工作的材料。

  铝在低温下不会出现低温脆性,但因铝及铝合金的硬度不高,铝密封面的耐磨、耐擦伤性能差,所以在低温阀门中的使用有一定的限制,仅在低压和小口径阀中选用。除此以外,低温阀门的材料选用还应考虑以下一些因素:

  1)阀门的最低使用温度;

  2)金属材料在低温下保持工作条件所需要的力学性能,特别是冲击韧性、相对延伸率及组织稳定性;

  3)在低温及无油润滑的情况下,具有良好的耐磨性;

  4)具有良好的耐蚀性;

  5)采用焊接连接时还需考虑材料的焊接性能。

  2.1.2、阀体、阀盖、阀座、阀瓣(闸板)材料的选用

  这些主体零部件材料的选用原则大致是:温度高于-100℃时选用铁素体钢;温度低于-100℃时选用奥氏体钢;低压及小口径阀门可选用铜和铝等材料。设计时根据最低使用温度选择适当的材料。

  2.1.3、阀杆及紧固件的材料选用

  温度高于-100℃时,阀杆和螺栓材料采用Ni、,Cr-Mo等合金钢,经适当的热处理,以提高抗拉强度和防止螺纹咬伤等。温度低于-100℃时,采用奥氏体不锈耐酸钢制造。但18-8耐酸钢硬度低,会造成阀杆与填料相互擦伤,致使填料处泄漏。所以,阀杆表面必须镀硬铬(镀层厚0.04-0.06mm),或进行氮化和镀镍磷处理,以提高表面硬度。

  为防止螺母与螺栓咬死,螺母一般采用Mo钢或Ni钢,同时在螺纹表面涂二硫化钼。

  2.2、低温阀垫片、填料材料的选用

  在低温阀门设计中,一方面由结构设计来保证使填料处于接近环境温度下工作,例如,采用长颈阀盖结构,使填料函离低温介质尽量远些,另一方面在选择填料时要考虑填料的低温特性。低温阀中一般采用浸渍聚四氟乙烯的石棉填料。柔性石墨是新近发展起来的一种优良的密封材料。低温阀门也可采用无填料的波纹管密封结构,通常情况下使用多层波纹管。低温阀门用垫片必须在常温、低温及温度变化下具有可靠的密封性和复原性。由于垫片材料在低温下会硬化和降低塑性,所以应选择性能变化小的垫片材料。使用温度为-200℃,低温最高使用压力3MPa时,采用长纤维白石棉的石棉橡胶板。使用温度为-200℃,最高使用压力5MPa时,采用耐酸钢带夹石棉缠制而成的缠绕式垫片,或聚四氟乙烯和耐酸钢带绕制而成的缠绕式垫片。柔性石墨与耐酸钢绕制而成的缠绕式垫片用于-200℃的低温阀门上比较理想。

3、低温阀门的特殊结构

  低温阀门主要有闸阀、截止阀、球阀蝶阀、止回阀等型式,其主要结构与一般阀门大致相同。

3.1、阀体

  阀体应能充分承受温度变化而引起的膨胀、收缩。而且阀座部位的结构不会因温度变化而产生永久变形。

3.2、阀盖

  采用长颈阀盖结构。其目的在于能起保护填料函的功能。因为填料函的密封性是低温阀的关键之一。该处如有泄漏。将降低保冷效果,导致液化气体气化。这是因为在低温状态下随着温度的降低,填料弹性逐渐消失,防漏性能随之下降,由于介质渗漏造成填料与阀杆处结冰,影响阀杆正常操作,同时也会因阀杆上下移动而将填料划伤,引起严重泄漏。所以低温阀门必须采用长颈阀盖结构形式。此外,长颈结构还便于缠绕保冷材料,防止冷能损失。

3.3、阀瓣

  闸阀采用挠性闸板或开式闸板;截止阀的平阀座及针形阀,采用塞子形的阀瓣。这些结构形式不论温度如何变化,均能保持可靠的密封。

3.4、阀杆

  阀杆需镀铬、镀镍磷或经氮化处理,以提高阀杆表面硬度,防止阀杆与填料、填料压套(压盖)相互咬死,损坏密封填料,造成填料函泄漏。

3.5、垫片

  垫片选用要考虑垫片材料的低温性能,如压缩回弹性、预紧力、紧固压力分布以及应力松弛特性等。

3.6、填料函及填料

  填料函不能与低温段直接接触,而设在长颈阀盖顶端,使填料函处于离低温较远的位置,在0℃以上的温度环境下工作。这样,提高了填料函的密封效果。在泄漏时,或当低温流体直接接触填料造成密封效果下降时,可以从填料函中间加入润滑脂形成油封层,降低填料函的压差,作为辅助密封措施。填料函多采用带有中间金属隔离环的二段填料结构。但也有的采用一般阀门填料函结构和阀杆能自紧的二重填料函结构等其他型式。

3.7、上密封

  低温阀都设上密封座结构,上密封面要堆焊钴铬钨硬质合金,精加工后研磨。

3.8、阀座、阀瓣(闸板)密封面

  低温阀的关闭件采用钴铬钨硬质合金堆焊结构。软密封结构由于聚四氟乙烯膨胀系数大,低温变脆,所以仅适用于温度高于-70℃的低温阀,但聚三氟乙烯可用于-162℃的低温阀。

3.9、中法兰螺栓

  3.9.1、螺栓应有足够的强度,这是因为螺栓在反复载荷下工作,常会因疲劳而产生断裂。

  3.9.2、因螺栓在螺纹根部易引起应力集中,所以最好采用全螺纹结构的螺栓。

  3.10、预防异常升压的措施

  阀门关闭后,阀腔内会残留一些液体。随着时间的增加,这些残留在阀腔里的液体会渐渐吸收大气中的热量,回升到常温并重新气化。气化后,其体积激剧膨胀,约增加600倍之多,因而产生极高的压力,并作用于阀体内部。这种情况称为异常升压,这是低温阀门特有的现象。发生异常升压现象时,会使闸板紧压在阀座上,导致闸板不能开启。这时,高压会将中法兰垫片冲出或冲坏填料;也可能引起阀体、阀盖变形,使阀座密封性显著下降;甚至阀盖破裂,造成严重事故。为防止异常升压现象发生,一般低温阀门在结构上采用以下措施:

  3.10.1、设置泄压孔,又称压力平衡孔或排气孔,即在弹性闸板或双闸板进口侧钻一小孔,作为阀体内腔和进口侧的压力平衡孔。当阀腔压力升高时,气体可以通过小孔排出。这种方法比较简单,目前已被广泛采用。采用泄压孔防止异常升压,在阀体设计时,应有指示流体流向的箭头;安装时,要注意泄压孔的位置,保证泄压孔通向介质进口的一侧,泄压孔开设在闸板上时,更要注意。泄压孔开设的位置视阀门结构而定,有的在阀体上;有的在闸板上。

  3.10.2、在阀门上设置引出管或安装安全阀以排出异常高压。一般是在阀盖上装一只安全阀。当压力升高到某一定值时,安全阀开启,排放出异常高压,保证阀体安全。也可在阀体下部安装排气阀,将阀体中腔内的残液排尽,以预防异常升压的发生。

4、低温阀的安装要求

  了解了低温阀的设计要求及特殊结构,在具体的安装过程中要遵循如下原则:

  4.1、当流体是液体时,低温阀的阀杆应向上安装,防止阀门关闭后,阀腔内会残留一些液体,液体气化造成异常升压,闸板无法开启。而且低温阀的阀杆较长,安装时应引起重视。

  4.2、有泄压孔的低温闸阀,应在阀体上标记泄压孔方向,并注意标记不应被保冷层覆盖。见图1。

安全阀、调节阀检修期间泄压孔方向

注:“↑”泄压孔方向

图1 安全阀、调节阀检修期间泄压孔方向

5、结论

  随着石油化工装置越来越大型化,如何降低能耗,节省投资成为一个主要问题。低温阀门在整个装置中占有相当比例且费用较高,那么更好的选择低温阀门,正确的安装低温阀门至关重要。

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