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1 概述

高压加氢工艺是石油深加工的重要手段,它不仅可以提高单位原油的轻质油采收率。并且可以提高燃料油的质量,从而提高炼油厂的整体效率。高压加氢装置还可以为石油化工装置提供优质原料,也是石油脱硫的理想装置。我国于 1990 年代开始建立高压加氢装置。预计未来几年,随着我国炼外油量的增加,高压加氢装置的建设仍将是石化行业的热点。企业也希望提高炼油水平和能力,迎接加入WTO的挑战。

2工作条件

高压加氢装置的介质环境具有2个突出特点,即高压和氢气(以及硫化氢)操作。

高压操作不仅是因为它的操作压力高(通常为14-20MPa),还因为它的介质是易燃易爆的高压气体(氢气或油气+氢气)。高压气体储存更大的压力能量。一旦其储运设备(包括管道阀门)损坏,所造成的事故将是灾难性的。

氢气和硫化氢操作。表示对储运设备数据的苛刻要求。氢气是一种能渗透到金属材料内部并在室温或高温下引起材料变性(劣化)的介质。在常温下会引起金属材料的脆化和变形,在高温下会引起金属材料的内外脱碳。硫化氢对金属材料的腐蚀也是一个非常棘手的问题。常温下可引起多种金属材料的应力腐蚀开裂,高温下可引起金属材料的快速平均腐蚀。这些特点都对高压加氢阀的材料、结构设计和强度设计提出了严格的要求。

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3 需求状况

高压加氢装置中的阀门既有近氢工况,也有非氢工况,既有高压工况,也有非高压工况。本文仅讨论高压氢气条件下使用的阀门。这种阀门虽然数量不多,但价格却占了很大的比重。此类阀门包括闸阀、截止阀、止回阀、球阀和旋塞阀。压力等级为ASME CL900~2500,温度为室温至400℃。主要数据为,A182—F11/F22/F321、A216—WCB,A217—WC6/WC9、A351—CF8C,阀门口径为DN15-400mm。这些阀门的功能与普通阀门相同,但在国内不具备成套供货能力。一套与介质条件相适应的技术文件、模具和图纸,缺乏工业化量产经验。

在高压加氢装置中开发阀门不仅可以降低阀门价格。并且可以缩短供货周期,方便订单补货,同时促进阀门行业的发展。事实上,我国部分阀门生产企业具备生产高压加氢阀门的能力和条件,并已成功应用于加氢处理装置(操作压力8~10MPa)。

一个性能好的阀门在设计、制造、检验实验和质量控制等方面和环节都比较好。本文讨论了阀门的内漏、外鼓、强度设计、数据、检验实验和质量控制等几个主要问题,并讨论了高压和氡装置分离的介质条件。

4 内外漏电控制

阀门内漏和外漏控制质量是反映阀门质量的重要参数。制造商采取了各种措施来尽量减少阀门的内漏和外漏。油、氢的外漏和内漏,不仅会污染环境,还容易引起火灾或爆炸。阀门的内漏主要发生在浇口处,外漏主要发生在阀杆填料和阀盖垫片处,因此要获得良好的密封性能,必须从这三个地方入手。

4.1个填料密封泄漏

对于DN≥50mm的闸阀和截止阀,国外翻新厂的普遍做法是在阀杆密封处使用柔性石墨环和柔性石墨编织填料。其中,填料的顶、底环采用柔性石墨编织环,以防止石墨因强度高(与模压石墨环相比)被挤入阀腔或阀外,模压石墨中间使用环(有时也在中间的正确位置添加编织环)。由于柔性石墨具有良好的流动性和减磨性能,而且石墨还具有良好的物理和化学稳定性,使用它作为填料不仅可以达到良好的密封性,而且还可以减少对阀杆的磨损。对于填料函尺寸较小的球阀、旋塞阀和小口径闸阀和截止阀,只有柔性石墨编织填料就足够了。

填料在灌装过程中停止预紧时,也是保证密封良好(尤其是长期密封良好)的措施之一。大多数国产阀门在填料过程中仅限于压实填料,因此其密封性能会随着应用时间的增加而变差。雁门部分国外产品在灌装过程中采用28兆帕的预压,并设计了专用的预压工具,可长期保持良好的密封性。当然,填料的预压过大,会增加阀杆的磨损,增加阀门的开启力。因此,此时应在填料的选择和阀杆的表面处理上进行改进。使用柔性石墨环填料可以减少阀杆的磨损,也可以降低阀门的开启扭矩。

还有一些阀门在填料压盖处使用“活载”配置。即在填料压盖的螺栓上加一个碟形弹簧,使填料压盖始终以较大的压力作用在填料上,从而避免因压盖螺栓松动或填料松动而引起的泄漏。

4.2 个垫片密封泄漏

对于 DN ≥ 50mm 的闸阀、截止阀和止回阀,可以使用耐压阀盖。对于DN≤40mm的球阀、旋塞阀(多为下阀盖)和闸板宽度、截止阀和止回阀,阀盖一般采用法兰连接。压封宽盖上有两处密封,一是门槛盖与密封圈的接触点(图1)),另一个是密封圈与阀体的接触点。国外一些阀门产品,密封圈与阀盖的接触面设计为变角圆弧过渡面,使与阀盖的密封为线密封,其密封性显着提高,但增加了加工密封圈的难度。环形垫片的外表面和相应的阀体密封面镀有一层银。由于银具有良好的可塑性,易于填充密封面的微孔,从而大大提高了阀盖垫片的密封性能。

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图 1 用于压力密封阀盖的环形垫片

对于法兰连接阀盖结构,大部分厂家使用缠绕垫片,因为缠绕垫片弹性好,回弹率高,在保证稳定性的情况下更容易保证密封。与缠绕垫片配套的阀盖密封采用箱式结构,垫片置于阀盖与阀体连接处的专用槽内,从而保证缠绕垫片的稳定性(即不受较大尺寸的影响。密封比压使垫片变得不稳定),同时增加了介质泄漏的阻力。事实证明,这样的密封结构更好。

4.3 内漏

①闸阀

国内外各厂家的闸门结构设计并无太大差异。 DN≤40mm的普通闸阀采用楔形整体闸板,而DN≥50mm的闸阀采用柔性楔形闸板。只要密封面的加工精度满足要求,这种结构就可以满足初始密封要求。但用户希望阀门能够长期保持良好的密封。一般情况下,初期密封容易达到,但要达到良好的长期密封却不容易。这里有2个改进的不倒翁供参考。一是努力提高闸板导轨的精度高压不锈钢闸阀,使其与闸板保持较小的配合间隙,以减少闸板与阀座的不均匀磨损,从而保证更长的密封寿命。导轨一般与阀体铸成一体,不易加工,与闸板配合间隙较大,建议厂家注意这方面。二是考虑闸板和阀座下部的腐蚀。当阀门处于半开半关位置时,会形成高速的介质流动,对介质流过的区域造成严重的侵蚀,而且由于硫化氢与金属的附着力低。腐蚀产物,很容易被高速介质冲走,从而加速金属的腐蚀,构成冲蚀腐蚀。避免冲刷腐蚀的措施可以从选择好的材料入手,即在相应的部位堆焊合适的硬质合金材料。一些厂家除了在密封面上堆焊硬质合金外,还在闸板下部和阀座的一定范围内堆焊硬质合金,以避免非密封面的冲蚀和腐蚀。密封性不是一个大问题,但它对整个阀门有好处。

②截止阀

首先,必须保证阀瓣和阀座的加工精度,以获得良好的初始密封。在抗冲刷腐蚀方面,国外某厂家采用了阶梯式阀瓣结构(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形成更小的流道,为了接受冲刷腐蚀,阀瓣和阀座的密封面不再直接受到冲刷腐蚀,或者冲刷腐蚀的程度有所缓解。

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1.座椅;2.圆盘

图2 截止阀阶梯阀瓣

③球阀

应使用偏心或其他无摩擦球结构和金属对金属密封。这是因为该结构密封可靠性高,防火安全性好,无摩擦,延长了阀门的有效寿命。

④旋塞阀

国外一般采用倒锥形平衡阀芯(即旋塞)结构(图3)。一般CL≤300级采用机械平衡式结构,CL≥600级采用压力平衡式结构,既能保证良好的密封,又能减少密封面金属的磨损。国外有厂家在此基础上喷涂旋塞,从而节省了定期喷密封胶的维护工作量。

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1.主体;2.插头

图3 倒锥压力平衡旋塞阀

5 阀门强度设计

阀门的承压部位应进行强度分析和强度设计。这些零件主要包括阀体、阀盖、闸板和阀盖螺栓。对于截止阀,有时(取决于结构)需要在阀座部分停止强度分支芯。阀杆是非承压部件,也是必须进行强度设计的重要部件。所谓强度设计应该包括强度和刚度。

国外一些主要阀门标准如0.34、0.34给出了阀门主要零件的最小壁厚(直径),而国内一些厂家直接使用(或稍大)这些标准值作为设计尺寸,并且没有更多的停止强度设计。这个并不严格高压不锈钢闸阀,因为①阀门的内部零件结构不同,阀门上腔的结构尺寸不同,所以计算出来的壁厚也不同。阀门的外观和结构,特别是形状突变的处理方式不同,计算出的应力值,尤其是应力集中程度也不同,最终可能导致计算出的壁厚不同。 ②阀体多为铸件,冶炼条件较差,原始数据来源复杂的阀厂,其铸件材料性能差异较大。铸造材料的性能与其自身的铸造缺陷(如偏析、枝晶组织、夹杂物、气孔、气孔和裂纹等)有关,波动变化很大,从而形成强度计算的基础数据(如何使用它)差异比较大。大的。 ③ 不同的应用环境有不同的腐蚀条件,应考虑不同的腐蚀裕量。由于这些因素的影响,对于高压氢气阀来说,计算其相关零件的强度和/或刚度是非常有必要的。稍有不慎,就有可能带来严重后果。

目前,中国大多数阀门厂都采用数学分析方法来计算阀门的强度和/或刚度。这种方法费时费力,计算精度也比较差,特别是对于零件形状的突变,不能准确计算受力程度。而国外大部分阀门厂都采用了有限元分析方法,快速准确。对于高压和高要求的阀门,有必要使用有限元方法分析部件的强度和/或刚度。

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6 信息

高压加氢装置的运行工况不仅对材料的可靠性有很高的要求,而且介质(如氢气和硫化氢)本身对材料的性能也有很高的要求,即介质对材料本身比较敏感有缺陷。如果材料中存在非金属夹杂物、夹渣、气孔、裂纹等不连续缺陷,就容易导致氢气的聚集。在常温下,由于其所形成的零件的高压,会引起氢变形,甚至诱发微裂纹。同时,也会使材料变脆。劣化(氢脆)。在高温下,这些缺陷更有利于氢致内部脱碳,从而加速材料的氢腐蚀开裂过程。硫化氢介质对材料的外部不连续缺陷更为敏感,特别是在潮湿的硫化氢环境中,外部不连续缺陷往往成为应力腐蚀开裂的诱因。因此,减少或限制阀门承压部件的缺陷是保证其可靠性和延长其使用寿命的关键因素之一。

阀门承压件的制造方法有铸造和锻造两种。锻件不存在气孔、气孔、大尺寸圆形夹杂物、柱状组织和枝晶组织等缺陷,金属致密,综合力学性能好,可靠性高。因此,锻造是生产高压氢化阿门承压件的理想方法。 但考虑到大部分承压件的形状都比较复杂,而且很多都超过了普通模锻件的尺寸,因此国内外大部分阀门厂仍采用铸件作为阀门的主要承压件,DN> 50 毫米。为保证铸件质量,应从冶炼、铸造工艺和焊补三个主要方面进行控制。冶炼对材料质量的影响是最根本的影响因素。不同的冶炼方法,所得到的材料质量差异很大。目前国内阀门厂普遍采用电炉冶炼tycovalve,而国外大部分阀门厂采用VOD或AOD冶炼方式。与电炉熔炼相比,VOD/AOD有益合金元素的烧损少,材料成分更容易接近理想状态,脱气性能好,有害杂质元素少,因此得到的材料质量较高。浇注工艺是影响材料性能的关键因素,它涉及到浇注膜材料的选择、木模外模的接触、浇注温度的控制和浇注方法的选择。总之,精铸、压力铸造、真空铸造等有利于提高铸件质量的铸造工艺,应该是阀门生产企业未来的发展方向。

焊接是铸造缺陷的补救措施。大多数铸件需要通过焊接进行修复。如果缺陷超过标准,就会报废,这会增加阀门的生产成本。但是,每个阀门的焊缝数量、焊缝修复面积和焊缝数量应有所限制。由于焊补区的金属与铸造金属不同,焊补次数越多,焊补区越大,铸造金属就会形成凹凸不平。表现越严重,数据的整体表现越低。每次焊补相当于加热铸件一次,反复加热铸件会给它带来一系列不利影响,因此阀门的焊补次数也应加以限制。 ASTM标准对铸造材料的焊补提出了一定的要求,但要求较低。事实上,铸件焊补的控制也体现了铸件材料质量与生产成本之间的平衡关系,因此关键是提高铸件的铸件质量,尽可能减少铸件缺陷。

7 检查和实验

阀门的强度(水压)试验、密封性试验和必要的无损检测是衡量阀门是否合格的必要条件,但良好不是衡量阀门质量好坏的充分条件,在至少对于高压加氢阀门来说,它们并不能完全体现一个阀门的整体质量。以阀门密封为例,正常情况下,只要保证密封件的加工精度,在冷态下很容易通过工厂密封实验,但并不代表阀门可以长期使用(特别是在高温高压工作状态下)也能保持良好的密封性。一旦阀门部件出现磨损、腐蚀、应力松弛、变形和材料变性等问题。会影响阀门的密封性能,严重时会导致密封失效。构件金属结构的稳定性和均匀性以及构件结构所形成的局部应力的程度,都会在一定程度上影响材料的腐蚀、应力松弛、变形和退化。然而,这些数据问题无法通过无损检测和冷态压力实验来检验。

对于普通介质中使用的中低压阀门,上述问题可能不存在或不突出美国泰科阀门,但对于高压氢气条件下使用的阀门,这些问题是不容忽视的。因此,阀门用于高压氢气应用。它应该停止全方位的检查实验。因为阀门承压件的材质(尤其是铸造材料)对阀门的使用寿命影响很大。因此,对承压铸件的检验试验进行了进一步的探讨。

铸造材料的质量主要取决于其生产工艺(如冶炼工艺、制造工艺等),对其产品进行的各种检验实验只是评价其质量的一种手段,并不能改变其质量。材料。质量。因此,在初始工业生产线上对阀门零部件进行系统、科学的工艺评价就显得尤为重要。工艺评价中的质量定位直接决定了材料(产品)的质量。根据高压加氢装置的介质特性,提出了其主要承压部件在工业消耗前应停止的工艺评价项目。

①目视检查MSSSP-55所列项目应逐项检查。

②化学成分分析 包括熔炉分析和产品分析,应特别注意有害杂质元素(如硫、磷、砷、锑、氢和氨等)的分析。化学成分分析应按照相应的 ASTM 规范进行。

③力学性能试验 包括拉伸试验(同时试验拉伸强度、屈服强度、伸长率和断面收缩率,并进行断裂分析)、弯曲试验、冲击试验和硬度试验。应根据相应的 ASTM 规范停止机械性能测试。

④宏观组织检查 包括气孔、裂纹、气孔、中心夹渣、大尺寸非金属夹杂物、硫、磷偏析等缺陷的检查。检验按 . 等规范停止。

⑤显微组织检查 包括偏析、条状(gui)状组织、枝晶组织、晶粒度、小尺寸非金属夹杂物等缺陷的检查。对于奥氏体数据,还应包括铁素体含量的测定。根据/E45/E112等规范停止检查。

⑥无损检测包括RT、UT、MT、PT等检测。并给出相应的合格指标和合格率控制指标。无损检测应分别按照MSSSP-54、、(B)规范进行。

⑦晶间腐蚀试验 该要求仅适用于奥氏体不锈钢材料。尝试按 (E) 停止指定。

⑧焊接性能测试包括拉伸、弯曲、冲击、硬度和无损检测。

⑨阀体爆破试验 液体爆破试验应按0.2的规定停止。在满足一定控制指标的情况下,工艺评价确定的工艺参数可作为生产参数,并在工业生产中严格执行,以获得满足高压氢气应用应用条件的优质阀门。

8 质量控制

国产阀门的质量问题更多是在管理上。由于国内很多厂家对产品制造的每道工序都没有详细、详细、可行的操作程序,即使有这样的程序,也不能保证每一个工人都是一模一样的。的预定工作。正因为如此,许多国内产品的质量不如国外产品。目前国内大部分阀门厂已获得质量认证,在一定程度上加强了阀门生产过程的质量管理。但是,我们也必须注意技术文件的建立,因为产品的先进与否主要取决于技术文件的先进性。

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