導(dǎo)熱油控制閥設(shè)計選型探討

濮冬生

(德希尼布化學(xué)工程(天津)有限公司，上海 200030)

聚酰胺裝置縮聚反應(yīng)對介質(zhì)溫度要求非常嚴(yán)苛，要求反應(yīng)溫度為270～290 ℃。導(dǎo)熱油具有抗熱裂化和化學(xué)氧化的性能，傳熱效率好、升溫快、熱穩(wěn)定性好，常被用來做傳熱介質(zhì)。導(dǎo)熱油控制閥合理選型是控制縮聚反應(yīng)溫度的前提，也是縮聚反應(yīng)能否安全、平穩(wěn)、高效運行的關(guān)鍵因素。本文將總結(jié)導(dǎo)熱油控制閥在實際工程應(yīng)用中出現(xiàn)的一些問題，并結(jié)合相關(guān)理論分析探討導(dǎo)熱油控制閥的設(shè)計選型。

1 導(dǎo)熱油特性及應(yīng)用工況簡介

高溫導(dǎo)熱油的滲透性很強(qiáng)(約是蒸汽的50倍)，過量的吸入會引起頭昏眩暈、惡心嘔吐、恍惚嗜睡，嚴(yán)重的甚至?xí)粑щy或喪失意識。參照GBZ 230—2010 《職業(yè)性接觸毒物危害程度分級》[1]中規(guī)定，高溫導(dǎo)熱油的危害等級為中度危害(Ⅲ級)。

典型縮聚反應(yīng)工藝流程如圖1所示。熱油經(jīng)過入口氣動開關(guān)閥(XV-01)通過縮聚反應(yīng)器熱油泵輸送至換熱器，經(jīng)調(diào)溫后再送至縮聚反應(yīng)器，一部分熱油通過縮聚反應(yīng)器回流至縮聚反應(yīng)器熱油泵。縮聚反應(yīng)器熱油進(jìn)口管線溫度變送器TT-02和熱油管線氣動控制閥TV-02A/B組成分程控制系統(tǒng)，精確調(diào)節(jié)熱油溫度。

2 導(dǎo)熱油控制閥應(yīng)用中的常見問題

導(dǎo)熱油控制閥在應(yīng)用中的常見問題如下：

1)氣動開關(guān)閥類型選擇錯誤。導(dǎo)熱油介質(zhì)具有高溫下滲透性強(qiáng)及中等毒性的特點，選用氣動球閥不能滿足閥桿處的密封等級，會產(chǎn)生外漏，導(dǎo)致熱油浪費，并對人體和環(huán)境產(chǎn)生危害。

圖1 典型縮聚反應(yīng)工藝流程示意

2)非波紋管密封控制閥填料易造成泄漏。閥門填料用于閥桿與閥蓋之間的密封，若不采用波紋管密封控制閥，易產(chǎn)生泄漏，泄漏原因主要有： 閥桿與推桿不同軸導(dǎo)致填料變形引起的泄漏，閥桿強(qiáng)度不夠?qū)е麻y桿發(fā)生彎曲引起的泄漏。

3)對波紋管的循環(huán)壽命無要求。波紋管循環(huán)壽命指在循環(huán)壽命內(nèi)波紋管不允許出現(xiàn)疲勞、失效、損壞等現(xiàn)象。波紋管選型時除對閥桿處的密封等級及材質(zhì)有要求外，還需對波紋管的循環(huán)壽命有較高要求。

4)波紋管密封開關(guān)閥角行程限位開關(guān)無反應(yīng)。閥門限位開關(guān)是檢測閥門狀態(tài)的一種現(xiàn)場儀表，Globe開關(guān)閥選用角行程限位開關(guān)和直行程轉(zhuǎn)角行程安裝附件，短時間內(nèi)能正常運行，但在長時間工作情況下，直行程轉(zhuǎn)角行程安裝附件產(chǎn)生形變，導(dǎo)致角行程限位開關(guān)無反應(yīng)。

5)波紋管密封控制閥內(nèi)漏超標(biāo)。閥座密封環(huán)通常采用填料進(jìn)行壓緊，當(dāng)閥座密封環(huán)受到介質(zhì)持續(xù)沖刷，易造成填料松動，或采用石墨密封圈時在高溫下發(fā)生蠕變均會導(dǎo)致密封失效，致使閥門不能全關(guān)到位造成內(nèi)漏。

3 導(dǎo)熱油控制閥設(shè)計選型

3.1 控制閥型式選擇

根據(jù)導(dǎo)熱油的中度毒性危害，工藝專業(yè)要求導(dǎo)熱油閥門的閥桿處的密封等級需滿足GB/T 26481—2011《閥門的逸散性試驗》[2]規(guī)定的B級要求(密封試驗氣體為氦氣)。柔性石墨填料閥桿處的密封等級只能達(dá)到C級要求，若選擇石墨填料結(jié)構(gòu)的閥門就不滿足工藝專業(yè)要求的閥桿處的密封等級，因此只能采用聚四氟乙烯(PTFE)填料結(jié)構(gòu)或波紋管密封結(jié)構(gòu)的閥門。

氣動控制閥常規(guī)閥體為截止閥。導(dǎo)熱油介質(zhì)溫度達(dá)到280 ℃左右，PTFE填料結(jié)構(gòu)不滿足介質(zhì)溫度要求，因此導(dǎo)熱油介質(zhì)氣動控制閥選用波紋管密封結(jié)構(gòu)截止閥。

氣動開關(guān)閥常規(guī)閥體為球閥， PTFE填料結(jié)構(gòu)球閥不滿足280 ℃的介質(zhì)溫度要求，波紋管密封結(jié)構(gòu)球閥從結(jié)構(gòu)上無法實現(xiàn)。常規(guī)波紋管密封結(jié)構(gòu)的閥門為截止閥和閘閥，因此對于導(dǎo)熱油介質(zhì)氣動開關(guān)閥選用波紋管密封截止閥。

3.2 控制閥的波紋管選型

波紋管的主要作用就是密封，防止管道中導(dǎo)熱油介質(zhì)(氣體)流過閥門時，從閥門中順著閥桿泄漏。

3.2.1 波紋管材質(zhì)選擇

波紋管材質(zhì)有316不銹鋼、316Ti不銹鋼和合金625等。選擇波紋管材質(zhì)時應(yīng)參考廠家常規(guī)波紋管材質(zhì)，并對照ASME B16.34： 17[3]內(nèi)各類材質(zhì)的壓力-溫度額定值。

3.2.2 波紋管循環(huán)壽命

波紋管的一個循環(huán)周期被定義為閥門完全打開至完全關(guān)閉再至完全打開。波紋管循環(huán)壽命設(shè)計應(yīng)按照波紋管循環(huán)壽命等級[4]進(jìn)行合格測試，見表1所列。導(dǎo)熱油介質(zhì)波紋管循環(huán)壽命要求為1×104次，應(yīng)選擇C級。

表1 波紋管循環(huán)壽命等級

3.2.3 波紋管外漏測試

波紋管密封控制閥的測試和認(rèn)證應(yīng)經(jīng)第三方認(rèn)證確認(rèn)并符合 GB/T 26481—2011， ISO 15848-2或同等規(guī)范的要求。

3.3 控制閥閥體及閥內(nèi)件材質(zhì)的選擇

控制閥材質(zhì)的選擇應(yīng)根據(jù)管道材質(zhì)，導(dǎo)熱油介質(zhì)的溫度、壓力，滲透性以及材料造價等因素綜合考慮。針對導(dǎo)熱油介質(zhì)特性并結(jié)合工況特點，建議閥門主體材料優(yōu)選與管道同材質(zhì)的鍛件，常見的有WCB。

控制閥內(nèi)件材質(zhì)選擇時需要考慮導(dǎo)向部件的熱強(qiáng)度和熱膨脹系數(shù)、閥芯及閥座材質(zhì)的硬度和熱膨脹系數(shù)、材質(zhì)的焊接和堆焊工藝等。同時查閱文獻(xiàn)[3]中各類材質(zhì)的溫度、壓力使用范圍，避免因選材不合理導(dǎo)致的內(nèi)件擦傷和卡死現(xiàn)象。導(dǎo)熱油控制閥閥芯和閥座應(yīng)考慮堆焊硬質(zhì)合金，如閥座堆焊Stellited 合金。

3.4 控制閥口徑選擇

導(dǎo)熱油介質(zhì)氣動波紋管密封控制閥采用等百分比流量特性計算流量系數(shù)CV值，氣動波紋管密封開關(guān)閥(截止閥)選擇當(dāng)前管道管徑下的最大CV值。以下介紹氣動波紋管密封控制閥的CV計算，國內(nèi)一般用KV表示，國際上用CV表示。

3.4.1KV的計算公式

導(dǎo)熱油介質(zhì)為不可壓縮流體，根據(jù)伯努利方程[5]推導(dǎo)出流量系數(shù)KV如式(1)所示。

(1)

CV=1.156KV

式中：p1——閥前絕對壓力，kPa；p2——閥后絕對壓力,kPa；qV—體積流量,m3/h；ρ——流體密度,kg/m3。

3.4.2 氣動調(diào)節(jié)閥口徑選擇

根據(jù)式(1)計算出KV或者CV；再按所選氣動波紋管密封控制閥廠家資料向上一檔選取選擇流量系數(shù)KVS或CVS；然后按照控制閥相對開度驗算公式[7]驗算開度。若最大流量開度驗算大于90%，則應(yīng)取向上一檔CVS再驗算開度，直至最大相對開度不大于90%。開度驗算結(jié)果符合要求后，則選擇相應(yīng)的控制閥口徑。應(yīng)注意的是： 控制閥的口徑選擇不宜小于所在管道口徑的50%。相對開度驗算公式如式(2)所示：

(2)

式中：I——等百分比控制閥相對開度，%；KVS——選擇流量系數(shù)；R——控制閥可調(diào)比，本文取50。

3.4.3 氣動控制閥計算實例

導(dǎo)熱油介質(zhì)為液體，t=280 ℃，p1=300 kPa，p2=230 kPa，ρ=866 kg/m3，qVmax=21 m3/h，所在管道管徑為DN80，計算如下：

1)根據(jù)已知條件，代入式(1)，計算得KV≈23.358。

2)選定口徑：

a)根據(jù)廠家資料查出比23.358大一檔的KVS為25。

b)將KVS=25代入式(2)進(jìn)行開度驗算得I≈98%>90%，則選擇再大一檔的KVS=40，再代入式(2)計算I≈86%<90%。即開度為86%滿足要求，查詢資料選擇對應(yīng)的閥門口徑DN50，DN50大于管道尺寸的50%。

3.5 氣動開關(guān)閥限位開關(guān)選型

導(dǎo)熱油氣動波紋管密封開關(guān)閥為直行程閥門，通常閥門廠家提供的限位開關(guān)一般由2個角行程限位開關(guān)集成在1個接線盒內(nèi)組成。

限位開關(guān)的類型分為感應(yīng)式和機(jī)械式，本文只介紹機(jī)械式限位開關(guān)。角行程機(jī)械式限位開關(guān)原理： 氣動波紋管密封開關(guān)閥行程通過指針上的桿連接器和限位開關(guān)的連桿傳動；閥門行程通過軸轉(zhuǎn)換成角行程；軸上帶2個開關(guān)盒，每個開關(guān)盒帶可調(diào)的凸輪盤；每個凸輪盤通過安裝到開關(guān)桿上的滾輪來操控雙擲開關(guān)；可通過調(diào)節(jié)螺絲調(diào)整限位開關(guān)功能和限位值。角行程機(jī)械式限位開關(guān)原理如圖2所示。

圖2 角行程機(jī)械式限位開關(guān)原理示意

由圖2可以看出，角行程限位開關(guān)能否反映直行程閥門的位置取決于閥門行程連接桿、指針、軸和連接到閥桿上的桿連接器。在實際應(yīng)用過程中，導(dǎo)熱油氣動波紋管開關(guān)閥的角行程限位開關(guān)在剛投入使用時可正常工作，但運行一段時間后會出現(xiàn)閥門全開和全關(guān)限位開關(guān)無反應(yīng)。根據(jù)現(xiàn)場改造經(jīng)驗，采用2個單獨的直行程限位開關(guān)直接監(jiān)測閥門位置較為合適。

3.6 其 他

氣動波紋管密封控制閥減壓結(jié)構(gòu)形式在選擇時需考慮以下因素：

1)從現(xiàn)場維護(hù)的角度，閥體與閥座優(yōu)選分體式結(jié)構(gòu)，閥座與閥體優(yōu)選金屬密封環(huán)設(shè)計，以避免因石墨在高溫環(huán)境下的蠕變造成密封等級降低現(xiàn)象。

2)考慮到閥芯頻繁動作導(dǎo)致的焊縫失效或銷釘剪斷帶來的風(fēng)險，建議閥芯與閥桿連接優(yōu)選芯軸一體式結(jié)構(gòu)。

3)根據(jù)導(dǎo)熱油介質(zhì)特點，閥桿應(yīng)優(yōu)選強(qiáng)度高且膨脹系數(shù)與主體材料接近的材質(zhì)。

4 結(jié)束語

導(dǎo)熱油波紋管密封控制閥在縮聚反應(yīng)工況中起著關(guān)鍵作用。導(dǎo)熱油介質(zhì)在高溫下滲透性強(qiáng)和中等毒性的特點在控制閥設(shè)計選型中常會被忽略。本文從導(dǎo)熱油性質(zhì)出發(fā)，對導(dǎo)熱油控制閥在實際工程應(yīng)用中出現(xiàn)的問題進(jìn)行了分析與總結(jié)，在此基礎(chǔ)上結(jié)合理論分析探討了控制閥型式選擇、波紋管的選型、控制閥口徑選擇及限位開關(guān)的選型，對工程設(shè)計人員進(jìn)行導(dǎo)熱油控制閥設(shè)計選型有一定指導(dǎo)意義。