加氢装置高压阀门的工况条件与内漏和外漏的控制

1 概述
高压加氢工艺是石油深加工的一个重要手腕，它不只能进步单位原油的轻油收回率。而且能进步燃料油的质量，从而进步炼油厂的整体效益。高压加氢安装还能为石油化工安装提供优质的原料，也是油品脱硫的理想安装。我国从 90 年代开端了高压加氢安装的建立，估计今后的几年中，随着我国炼外油量的逐年增加，高压加氢安装的建立仍将是石化行业的一大热点，各大石化企业也都想藉此进步其炼油的程度和才能，以迎接参加 WTO 的应战。
2 工况条件
高压加氢安装的介质环境有 2 个突出的特性，即高压和临氢（并随同硫化氢）操作。

高压操作不只仅是由于其操作压力高（普通为 14-20 MPa），而且还在于其介质为易燃易爆的高压气体（氢气或油气+氢气）。高压气体贮存了较大的压力能．一旦其储输设备（包括管道阀门）损坏，惹起的事故将是灾难性的。

临氢并随同硫化氢操作。标明了对储输设备资料的苛刻请求。氢气是一种能浸透到金属资料内部并在常温或高温下惹起资料变性（恶化）的介质，常温下能惹起金属资料的脆化和变形等，高温下能招致金属资料内部和外部脱碳。硫化氢对金属资料的腐蚀也是一个非常棘手的问题，常温下它能惹起许多金属资料的应力腐蚀开裂，高温下它能惹起金属资料的快速平均腐蚀。一切的这些特性都对高压加氢阀门的资料、构造设计和强度设计等提出了严厉的请求。
3 需求状况

高压加氢安装中的阀门，既有临氢条件，又有非临氢条件，既有高压条件，又有非高压条件。本文仅讨论高压临氢条件下应用的阀门，这类阀门固然数量不多，但其价钱却占有较大的比例。此类阀门有闸阀、截止阀、止回阀、球阎和旋塞阀，压力等级为 ASME 的 CL900~2500，温度为常温至 400℃，主体资料有 ASTMA105、A182—F11/F22/F321、A216—WCB、A217—WC6／WC9、A351—CF8C，阀门直径为 DN15-400 mm。这些阀门的功用与普通阀门相同，但国内目前尚不具备成套供给的才能，主要缘由在于阀门制造厂与用户（特别是工程设计部门）沟通联络不够，不理解阀门的运用条件和请求，短少一套与介质条件相顺应的技术文件、模具和图纸等，而且缺步工业化批量消费的经历。

开发高压加氢安装中的阀门，不只能降低阀门价钱。而且可减少供货周期，便当补充订货，同时又能推进阀门行业的开展。事实上，我国目前一些阀门制造厂已具备消费高压加氢阀门的才能和条件，而且在加氢精制安装（操作压力 8~10 MPa）上已有胜利的应用。

性能良好的阀门，其设计、制造、检查实验及质量控制等各个方面和各个环节都做的比拟好。本文以其中的几个主要问题（包括阀门的内漏、外潺、强度设计、资料、检查实验及质量控制），分离高压加氡安装的介质条件停止讨论。

4 内漏和外漏的控制

阀门内漏和外漏控制的好坏是反映阀门质量的一个重要参数，制造厂均采取各种措施以尽量减少阀门的内漏和外漏。油品和氢气的外漏和内漏不只会污染环境，还易惹起火灾或爆炸。阀门的内漏主要发作在闸板处，外漏主要发作在阀杆填料和阀盖垫片处，故要取得良好的密封性能就要从这 3 处着手。

4.1 填料密封外漏

对 DN ≥ 50mm 的闸阀和截止阀，在阀杆密封处采用柔性石墨环和柔性石墨编织填料是国外翻造厂的普遍做法。其中填料的最上圈和最下圈采用柔性石墨编织环，以应用其强度较高（与模压石墨环相比）的特性阻止石墨被挤入阀腔或阎外，中间则采用模压石墨环（有时也在中间恰当的位置增设编织环）。由于柔性石墨的活动性好，有减磨性，同时石墨还具有良好的物理和化学稳定性，因而用它作为填料既可取得良好的密封，又可减少对阀杆的磨损。关于填料函尺寸较小的球阀、旋塞阀和小口径的闸阀和截止阀，则仅用柔性石墨编织填料即可。

填料在装填过程中停止预紧缩也是保证良好密封（特别是长期良好密封）的措旋之一。国内的阀门在填料装填过程中大多数仅限于压实填料，故其密封性随应用时间增长而变差。国外某些阎门产品在填料装填过程中采用了 28 MPa 的预压力，且设计了专用的预紧缩工具，因而它能维持较长时间的良好密封。当然，填料的预压力太大，将增加对阀杆的磨损，增加阀门的开启力，因而此时应在填料选择和阀杆外表处置上停止改良。采用以柔性石墨环为主的填料可减少阀杆的磨损，同时也可降低阀门的开启扭矩。

还有一些阀门在填料压盖处采用了“活载”构造。即在填料压盖的螺栓上增设碟簧，使填料压盖一直作用于填料上较大的压力，从而可避免因压盖螵栓松弛或填料松弛而形成的外漏。

4.2 垫片密封外漏

对 DN ≥ 50mm 的闸阀、截止阀和止回阀，可采用压力密封阀盖。而关于球阀、旋塞阀（多为下阀盖）和 DN ≤ 40mm 的闸阔、截止阀和止回阀，普通采用法兰衔接阀盖。压力密封阔盖的密封有 2 处，其一为阈盖与环垫片（图 1）的接触处，其二为环垫片与阀体的接触处。国外的一些阀门产品，将环垫片与阀盖的接触面设计成变角度圆弧过渡面，使它与阀盖的密封为线密封，从而显著进步了其紧密性，但它增加了环垫片的加工难度。还有将环垫片外表及相应的阀体密封面镀上一层银，由于银的塑性较好，容易填充密封面上的微观孔隙，因而大大进步了阀盖垫片处的密封性能。

关于法兰衔接阀盖构造，大多数制造商采用了缠绕式垫片，由于缠绕式垫片弹性好，回弹率高，在保证稳定性的状况下更容易保证密封。与缠绕式垫片相配的阀盖密封采用了箱式构造，行将垫片置于阀盖与阀体相接的特制槽内，从而保证了缠绕式垫片的稳定性（即不会因较大的密封比压而使垫片失稳），同时又增加了介质走漏的阻力。事实证明，这样的密封构造比拟好。

4.3内漏
①闸阀
国内外各制造厂的闸板构造设计上无太大的差异，普通 DN ≤ 40mm 的闸阀采用楔形整体闸板，而 DN ≥ 50mm 的闸阀则采挠性楔形闸板。只需密封面加工精度到达请求，这种构造能够满足初期密封请求。但运用者希望阀门可以坚持持久的良好密封。普通状况下，初期密封容易做到，而要做到长期密封良好则是一件不容易的事情。这里给出 2 个改良倒子供参考。其一是努力进步闸板导轨的精度，使它与闸板坚持较小的配合间隙，以减少闸板与阀座的不平均磨损，从而保证较长的密封寿命。导轨普通是与阀体整体铸造的，而且不容易停止机加工，故与闸板的配合间隙较大，倡议制造厂给予这方面的关注。其二是思索闸板和阀座下部的腐蚀。由于当阀门处于半开半关的位置时，会构成高速的介质流，它将对介质流经的区域产生严重的冲刷，又由于硫化氢与金属的腐蚀产物附着力很低，极易被高速介质冲走，从而加速了金属的腐蚀，即构成冲刷腐蚀。避免冲刷腐蚀的措施可从选择良好的资料动手，即在相应的部位上堆焊适宜的硬质合金资料。一些制造厂除了在密封面上堆焊硬质合金外，还在闸板和阀座的下部一定范围内也堆焊了硬质合金，以避免非密封面的冲刷腐蚀，这样做虽与阀门的密封性关系不大，但对阀门整体来说有益。
②截止阀
首先要保证阀瓣与阀座的加工精度以取得一个良好的初期密封。在防冲刷腐蚀方面，国外某制造商采用了阶梯式阀瓣构造（图 2），即在阀门开启或关闭的过程中，阀瓣上的非密封台阶首先构成较小的流道，以接受冲刷腐蚀，而阀瓣和阀座的密封面则不再直接接受冲刷腐蚀，或缓解了其冲刷腐蚀的水平。
③球阀
应采用偏心或其他无摩擦的球体构造及金属对金属的密封方式。这是由于该构造密封牢靠性高，火灾平安性好，无摩擦，延长了阀门的有效寿命。
④旋塞阀
国外普通采用倒锥形均衡式阀芯（即旋塞）构造（图 3）。普通 CL ≤ 300 等级采用机械均衡式构造，CL ≥ 600 等级采用压力均衡式构造，既能保证良好的密封，又可减少密封面金属的磨损。国外某制造厂则在此根底上对旋塞停止了喷塑处置，从而俭省了定期注密封剂的维护工作量。

5 阀门强度设计

阀门的承压部件都应停止强度剖析和强度设计，这些部件主要包括阀体、阀盖、闸板和阀盖螺栓等。对截止阀来说，有时（依据构造不同）尚须对阀座部分停止强度枝核。而作为非承压部件的阀杆也是必需停止强度设计的一个重要部件。所谓的强度设计应包括强度和刚度 。

国外一些主要的阀门标准如 ANSIB16.34 和 API600 都给出了阀门主要零部件的最小壁厚（直径），国内的一些制造厂都直接采用（或略大于）这些标准值作为设计尺寸，并且不再停止强度设计。这样做是不严厉的，由于①阀门的内件构造不同，阀上腔的构造尺寸不同，因而其计算壁厚也不同。阀门的外观构造特别是外形突变处的处置不同，其计算应力值特别是应力集中的程度也不同，最终也可能招致计算壁厚不同。②大多数阀体为铸件，而冶炼条件较差，原资料来源复杂的阀门厂，其铸件资料的性能差异较大。铸件资料的性能又与其自身的铸造缺陷（如偏析、枝晶组织、夹杂、气孔、疏松和裂纹等）有关，而且起伏变化较大，从而形成强度计算的根底数据（多么用应用）的差别较大。③不同的应用环境，其腐蚀状况不同，应思索的腐蚀裕量不同。由于这些要素的影响，关于高压临氢阀门来说，对其有关的零部件停止强度和／或刚度计算就显得非常必要，由于稍有过失，可能会带来严重的结果。

目前国内大多数阀门厂均采用数学剖析法停止阀门的强度和／或刚度计算。这种办法既费力又费时，计算精度也比拟差，特别是关于零部件的外形突变处，它不能准确地求出其应力程度。而国外的大多数阀门厂都采用了有限元剖析法，它既快又准确。关于高压且请求苛刻的阀门来说，采用有限元法停止零部件的强度和／或刚度剖析是必要的。

6 资料

高压加氢安装的操作条件不只对资料的牢靠性有较高的请求，而且其介质（如氢气和硫化氢）自身对资料性质也有较高的请求，即介质对资料自身存在的缺陷比拟敏感。假如资料中有非金属夹杂、夹渣、气孔、裂纹等不连续缺陷，容易招致氢气的积聚，常温下会因其构成的部分高压而惹起氢变形，以至诱发微裂纹，同时也会使资料脆性恶化（氢脆）。高温下，这些缺陷更利于氢致内部脱碳的停止，从而加快资料氢腐蚀决裂的进程。而硫化氢介质则对资料的外部不连续缺陷比拟敏感，特别是在湿硫化氢环境下，外部的不连续缺陷常常成为应力腐蚀开裂的诱因。因而，减少或限翻阀门承压部件中的缺陷是保证其牢靠性，延长其运用寿命的关键要素之一。

阀门承压部件的制造办法有铸造和锻造 2 种。锻造件不存在气孔、疏松、大尺寸圆形夹杂、柱状组织和枝晶组织等缺陷，而且金属致密，综合机械性能好，牢靠性高，因而锻造是嗣造高压加氢阿门承压部件的理想办法。但思索到大多数承压部件的外形比拟复杂，而且它们中有很多超越了普通模锻的尺寸，故国内外大多数阀门厂关于 DN＞50 mm 阀门的主要承压部件仍采用铸件。为了保证铸件质量，应从冶炼、铸造工艺和焊补 3 个主要方面停止控嗣。冶炼对资料质量的影响是最根底的影响要素。不同的冶炼办法，得到的资料质量差异也比拟大。目前国内阀门厂普遍采用电炉冶炼，而国外的大多数阀门厂则采用 VOD 或 AOD 冶炼办法。VOD／AOD 与电炉冶炼相比，其有益合金元素烧损少，资料成分更容易接近理想状态，而且脱气性好，有害杂质元素少，故取得的资料质量也就比拟高。铸造工艺是影响资料性能的关键要素，它触及到了铸膜资料选择、木模外模型触及、浇铸温度控制和浇铸办法选择等方面。总之，有利于改善铸件质量的铸造工艺如精细铸造、压力铸造和真空浇铸等应作为阀门制造厂今后的开展方向。

焊朴是处置铸件缺陷的一种弥补措施。大多数铸件都是需求焊补修理的，假如缺陷超标就给予报废，将会增加阀门的消费本钱。但每个阀门的焊朴数量、焊补面积和焊朴次数等应有限制，由于焊补区的金属不同于铸造金属，焊补数量越多，焊补面积越大，形成铸造金属的不平均性越严重，从而招致资料的综合性能降落。每次焊补都相当于给铸件一次加热，而屡次对铸件加热会给它带来一系列不利的影响，故阀门的焊补次数也应有所限制。ASTM 标准中对铸造资料的焊补提出了一定的请求，但其请求偏低，国外大多效阀门制造商的铸件焊补控制程度均比 ASTM 规则的严厉。实践上，铸件焊补的控制还反映了铸件资料的质量与消费本钱之间的均衡关系，因而关键还是要进步铸件的铸造质量，尽量减少铸造缺陷。

7 检查与实验

阀门的强度（水压）实验、密封实验及必要的无损探伤是权衡阀门能否合格的必要条件，但井不是权衡一个阀门好坏的充沛条件，至少对高压加氢阀门来说，它们尚不能完整反映一个阀门的综合质量。以阀门的密封为例，普通状况下，只需保证密封件的机加工精度，就容易经过冷态下的工厂密封实验，但它并不代表阀门在长期运用（特别是在高温、高压工作工况）条件下也能坚持良好的密封。一旦阀门部件呈现磨损、腐蚀、应力松弛、变形和资料变性等问题。将会影响到阀门的密封性能，严重时会使密封失效。而部件金属组织的稳定性和平均性、部件构造形成的部分应力程度等，都会从某种水平上影响到资料的腐蚀、应力松弛、变形和变性等问题。而资料的这些问题都是无损探伤和冷态下的压力实验无法检查的。

关于普通介质上应用的中低压阀门来说，上述的问题可能不存在或者不突出，而对高压临氢条件下应用的阀门，这些问题将是不可疏忽的。因而，对高压临氢用阀门。应对其停止全方位的检查实验。由于阀门承压零部件的资料质量（特别是铸件资料）对阀门的运用寿命影响较大。故就承压铸件的检查实验作进一步讨论。

铸件资料的质量主要取决于其消费过程（如冶炼工艺、制造工艺等），而对其产品停止的各种检查实验仅仅是对其质量考核的一种手腕，它并不能改动资料的质量。因而，阀门零部件在开端工业消费行进行系统的、科学的工艺评定就显得尤为重要。而工艺评定中的质量定位又直接决议了资料（产品）的质量。结台高压加氢安装的介质特性，在此提出其主要承压零部件在工业消费前应停止的工艺评定项目。
①外观检查 应按 MSSSP-55 所列项目逐项检查。
②化学成分剖析 包括炉前剖析和产品剖析，特别应关注有害杂质元素（如硫、磷、砷、锑、氢和氨等）的剖析。化学成分剖析应按相应的 ASTM 规范停止。
③机械性能实验 包括拉伸实验（同时测试出拉伸强度、屈从强度、延伸率和截面收缩率，并停止断口剖析）、弯曲实验、冲击实验和硬度检验等。机械性能实验应按相应的 ASTM 规范停止。
④宏观组织检验 包括气孔、裂纹、疏松、央渣、大尺寸非金属夹杂物、硫磷偏析等缺陷的检验。检验按 ASTME381 等规范停止。
⑤微观组织检查 包括偏析、条（桂）状组织、枝晶组织、晶粒度、小尺寸非金属夹杂物等缺陷的检验。对奥氏体资料，还应包括铁索体含量的测定。检验按 ASTME38l/E45/E112 等规范停止。
⑥无损检查 包括 RT、UT、MT、PT 等检查。并给出适合的合格指标和合格率控制指标。无损检查宜分别按 MSSSP—54、ASTMA388、ASTMAA275、ASTMB165（Practice B）规范经行。
⑦晶问腐蚀实验 仅对奥氏体不锈钢资料才有此请求。试按 ASTME262（Practice E）规范停止。
⑧焊接性能实验 包括拉伸、弯曲、冲击、硬度和无损探伤检验。
⑨阀体爆破实验 液体爆破实验按 ANSTB31.2 规范停止。在满足一定控制指标的状况下，经过工艺评定而肯定的工艺参数才干作为消费参数，并在工业消费中严厉执行，才干取得满足高压临氢应用条件的高质量阀门。

8 质量控制

国产阀门的质量问题更多的是呈现在管理上。由于中国的众多制造业者在产品制造的每个工序上并不是都有一个详细的、详尽的而且实在可行的作业规程，即便有了这样一个规程，也不能保证每个工作人员都不折不扣的接规程作业。正由于如此，才招致了许多国产产品的质量不如国外产品。目前，国内大多数阀门厂，都获得了ISO9000的质量认证，它从某种水平上强化了阀门消费过程的质量管理。但是，还要注重技术文件的树立，由于产品的先进与否主要取决于技术文件的先进性。

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