裝置工況影響閥門設(shè)計(jì)的共性因素探討

姚雪鳴

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

現(xiàn)代工業(yè)裝置尤其是石油化工裝置，種類繁多，工況更是復(fù)雜多樣，因而對(duì)閥門的選材、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)等就有不同要求。而閥門設(shè)計(jì)制造時(shí)，經(jīng)常出現(xiàn)兩種情況，要么為保證質(zhì)量過度設(shè)計(jì)，要么由于未考慮工況的影響，設(shè)計(jì)不當(dāng)而造成閥門失效，內(nèi)漏、外漏等各種問題頻出。因此，對(duì)各種裝置展開研究，包括煉油、化工、化纖幾大類型裝置，研究中發(fā)現(xiàn)了一些共性問題，例如，煉油裝置中氫、硫及各種應(yīng)力腐蝕等普遍存在；化工裝置工況復(fù)雜多樣，除了腐蝕問題，經(jīng)常遇到高溫、高壓、低溫、超低溫等工況；而化纖裝置的共性在于聚合物高黏、易凝的特性。因此，通過對(duì)各種裝置的工況研究，尋找出某些共性因素，以期在同類型裝置閥門設(shè)計(jì)時(shí)加以借鑒。

1 裝置的基本分類

現(xiàn)代工業(yè)裝置種類繁多，為便于分析各類裝置工況的共性，將一些典型裝置進(jìn)行歸類，分為煉油裝置、石油化工裝置、石油化纖裝置三類，詳見表1。

表1 典型裝置Table 1 Typical plants

煉油裝置是以原油、重質(zhì)餾分油等為原料進(jìn)行加工的裝置。石油化工裝置種類最多，部分石油化工裝置的原料來源于煉油裝置，是煉油裝置的后續(xù)裝置。而化纖生產(chǎn)裝置的原料與石油化工裝置密切相關(guān)，石油化工裝置的產(chǎn)品乙烯、丙烯、丁二烯、苯、甲苯、二甲苯等，均是生產(chǎn)化纖的單體原料。

2 腐蝕對(duì)閥門設(shè)計(jì)的影響

2.1 裝置腐蝕共性問題

腐蝕影響閥門選材，而同類型裝置往往會(huì)存在相似的腐蝕問題，研究發(fā)現(xiàn)，煉油裝置就存在一些共性的腐蝕問題。

煉油裝置是以原油、重質(zhì)餾分油等為原料進(jìn)行加工的裝置。原油通常按含硫量和酸值分類，原油品質(zhì)不同，對(duì)后續(xù)裝置的腐蝕影響也不相同。煉油裝置的腐蝕具有共性，其常見的腐蝕包括：硫和環(huán)烷酸腐蝕、氫腐蝕、濕硫化氫腐蝕、堿應(yīng)力腐蝕、液氨應(yīng)力腐蝕、連多硫酸應(yīng)力腐蝕、晶間腐蝕等。當(dāng)然，由于不同的工況，各種介質(zhì)亦會(huì)形成更加復(fù)雜的組合腐蝕環(huán)境，例如：≤120 ℃時(shí)，H2S-H2O、HCl-H2SH2O、HCN-H2S-H2O、RNH2（乙醇胺）-CO2-H2S-H2O、CO2-H2S-H2O 的組合腐蝕；240 ～ 500 ℃時(shí)，S-H2SRSH（硫醇）、S-H2S-RSH（硫醇）-RCOOH（環(huán)烷酸）、H2-H2S 的組合腐蝕等[1]。

石油化工裝置中，很多裝置的原料來源于煉油裝置，是煉油裝置的后續(xù)裝置，因此這些裝置存在和煉油裝置相似的腐蝕環(huán)境。對(duì)于這些裝置，閥門選材要考慮符合NACE MR0175[2]和NACE MR0103[3]等的相關(guān)要求。

2.2 腐蝕對(duì)閥門選材的影響

氫和硫是煉油裝置中廣泛存在的介質(zhì)，其存在方式因裝置不同而不同，因而腐蝕也各不相同。其中氫分子量極小，很容易通過各種密封面的微觀空隙逸散，如果滲透到鋼材內(nèi)部，會(huì)引起氫脆[4]甚至氫腐蝕。氫脆可以轉(zhuǎn)化成氫腐蝕。下面以氫腐蝕、氫+硫化氫應(yīng)力腐蝕為例進(jìn)行閥門選材影響分析。

（1）氫腐蝕對(duì)閥門選材的影響分析

當(dāng)鋼材長(zhǎng)期與高溫、高壓的氫氣接觸時(shí)，氫原子或氫分子與鋼中的碳化物（滲碳體）發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成甲烷（Fe3C+2H2→3Fe+CH4），造成鋼材表面及內(nèi)部脫碳，即為氫腐蝕。內(nèi)部脫碳時(shí)，生成的甲烷氣體無法從鋼中擴(kuò)散出去，聚積在晶粒間形成局部高壓，造成應(yīng)力集中，使鋼材產(chǎn)生微裂紋或鼓泡等，導(dǎo)致鋼材的強(qiáng)度及韌性下降，鋼材脆變[4]。

要避免氫腐蝕的發(fā)生，閥門設(shè)計(jì)應(yīng)按Nelson 曲線[5]進(jìn)行選材。氫腐蝕與氫分壓及溫度相關(guān)，Nelson曲線正是不同材質(zhì)的“溫度-氫分壓”腐蝕經(jīng)驗(yàn)曲線。在溫度高，容易發(fā)生氫腐蝕的工況時(shí)，選擇不銹鋼等耐氫腐蝕性能好的材料；而當(dāng)溫度較低，氫分壓不高的情況，選擇價(jià)格較低的碳鋼材料。對(duì)于碳鋼、合金鋼閥門，當(dāng)操作溫度≥200 ℃時(shí)，按最高操作溫度加20 ～ 40 ℃的裕量和氫分壓選擇材料。

（2）H2+H2S 應(yīng)力腐蝕對(duì)閥門選材的影響分析

應(yīng)力腐蝕是金屬在一定溫度條件下，在應(yīng)力和腐蝕性介質(zhì)共同作用下所引起的破裂。應(yīng)力腐蝕現(xiàn)象很復(fù)雜，沒有應(yīng)力時(shí)，腐蝕裂紋發(fā)展緩慢；而一旦應(yīng)力增加到一定水平以后，金屬材料會(huì)突然發(fā)生破裂，由于破裂前沒有明顯征兆，容易造成災(zāi)難性事故。

應(yīng)力腐蝕的要素一是存在一定的應(yīng)力水平，二是“特定材料+特定環(huán)境”的應(yīng)力腐蝕組合。因此，閥門設(shè)計(jì)首先考慮降低應(yīng)力水平，通過熱處理等方式消除加工殘余應(yīng)力和焊接殘余應(yīng)力，避免局部應(yīng)力集中；二是避開“材料+環(huán)境”的特定應(yīng)力腐蝕組合。當(dāng)閥門處于H2+H2S 組合腐蝕工況，操作溫度≥250 ℃時(shí)，應(yīng)按Couper 曲線[5]選材，選用耐腐蝕性能好的不銹鋼等材料；當(dāng)溫度較低、工況較緩和時(shí)，選擇能抗H2+H2S 應(yīng)力腐蝕的碳鋼材料，以降低成本。

3 溫度和壓力對(duì)閥門設(shè)計(jì)的影響

石油化工裝置復(fù)雜多樣，除了腐蝕問題，不少裝置有高溫、高壓、低溫、超低溫等工況，如乙烯裝置中就既有高溫工況，又有低溫工況。下面分別討論這些工況對(duì)閥門設(shè)計(jì)的影響。

3.1 低溫工況對(duì)閥門設(shè)計(jì)的影響分析

鋼材在低溫時(shí)會(huì)發(fā)生脆性斷裂，稱為冷脆[4]。材料的低溫沖擊韌性與材料的脆性轉(zhuǎn)變溫度有關(guān)，而某些材料的韌性-脆性轉(zhuǎn)變是在一定的溫度范圍內(nèi)發(fā)生的。材料的脆性轉(zhuǎn)變溫度愈低，材料的低溫沖擊韌性愈好。因此，低溫閥門設(shè)計(jì)時(shí)，要考慮材料的溫度下限，選擇相應(yīng)的耐低溫材料，避免冷脆。需要注意的是，閥門設(shè)計(jì)時(shí)，還應(yīng)考慮最低環(huán)境溫度。

除了選材，低溫工況時(shí)，閥門還容易出現(xiàn)泄漏、閥門中腔升壓事故、保溫層下腐蝕等問題，具體分析如下。

（1）外漏。低溫下，潤(rùn)滑油凝固，閥門組件難以采用潤(rùn)滑油進(jìn)行潤(rùn)滑。隨著溫度的降低，閥桿填料彈性逐漸消失，防漏性能隨之下降，介質(zhì)滲漏會(huì)造成填料與閥桿處結(jié)冰，影響閥桿正常操作，而閥桿上下移動(dòng)造成劃傷，引起更嚴(yán)重的外漏。因此，對(duì)于低溫閥門，需采用整體加長(zhǎng)閥蓋，保證足夠長(zhǎng)度的填料密封，使填料函底部的溫度保持在0 ℃以上，同時(shí)提高閥桿光潔度，采用耐磨材料，防止閥桿運(yùn)動(dòng)磨損。

（2）內(nèi)漏。隨著溫度的下降，原本研磨精度很高、緊密匹配的密封面產(chǎn)生了畸變，尤其是某些軟密封材料，造成密封不良，引起內(nèi)漏。因此，低溫閥門設(shè)計(jì)時(shí)，密封副采用鈷鉻鎢硬質(zhì)合金堆焊的硬密封結(jié)構(gòu)；對(duì)于低溫蝶閥，采用增強(qiáng)柔性石墨密封。

（3）中腔升壓。對(duì)于帶中腔的閥門（閘閥、球閥等），當(dāng)用于液化烴類介質(zhì)時(shí)，例如乙烯、丙烯等，高壓側(cè)都需開一泄壓小孔，以避免閥門關(guān)閉時(shí)積聚在閥門中腔的液體因溫度升高而氣化時(shí)體積迅速膨脹、壓力急劇升高導(dǎo)致事故的發(fā)生。

（4）保冷層下腐蝕。對(duì)于低溫閥門，為了保證閥桿密封，通常采用加長(zhǎng)閥蓋。由于加長(zhǎng)閥蓋上部的溫度較低，暴露在空氣中，空氣中的水蒸氣遇到低溫閥蓋會(huì)液化成水珠，冷凝水滲入保冷層，往往會(huì)造成保冷層下的腐蝕。因此，低溫閥門需要增加滴水盤設(shè)計(jì)，防止外部冷凝水進(jìn)入保冷層；滴水盤需設(shè)置在保冷層外側(cè)，直徑超過中法蘭直徑，以防止凝液滴落至中法蘭螺栓、保冷層及閥體上，從而避免保冷層下的腐蝕。

3.2 高溫（高壓）工況對(duì)閥門設(shè)計(jì)的影響分析

在高溫條件下，材料屈服極限、抗拉、抗壓強(qiáng)度降低，蠕變和斷裂成為多數(shù)材料破壞的主要因素。壓力與溫度密切相關(guān)，材料的許用應(yīng)力隨溫度升高而降低，溫度達(dá)到某個(gè)值時(shí)，許用應(yīng)力急劇下降。因此材料需要考慮使用溫度上限，選擇耐高溫材料。在考慮材料溫度上限時(shí)還應(yīng)結(jié)合腐蝕性介質(zhì)的影響。而熱處理方式不正確也會(huì)導(dǎo)致材料失效。

閥門的密封基于一系列密封組件緊密匹配，在高溫工況下閥門內(nèi)件容易卡死。由于不同材質(zhì)零部件的熱膨脹系數(shù)不同，當(dāng)高溫流體流過閥門時(shí)，閥座溫度上升很快，閥體限制了閥座的徑向膨脹，閥座只能向內(nèi)膨脹，使得閥瓣、閥座的工作間隙小于常溫下標(biāo)準(zhǔn)閥門設(shè)計(jì)的間隙，造成閥內(nèi)件卡死。而閥桿與填料密封也會(huì)產(chǎn)生類似問題，在高溫工況容易發(fā)生卡死現(xiàn)象。因此，高溫閥門零部件需要有精密的間隙設(shè)計(jì)及散熱設(shè)計(jì)；采用整體加長(zhǎng)閥蓋，保證填料的密封性能，采用硬密封閥芯，密封表面做硬化處理，增加耐磨性能。采用Y 型結(jié)構(gòu)的截止閥在性能上比90°閥桿密封結(jié)構(gòu)的截止閥性能更好。

4 介質(zhì)特性對(duì)閥門設(shè)計(jì)的影響

介質(zhì)特性是所有裝置中閥門設(shè)計(jì)都需要考慮的問題，對(duì)于劇毒、易燃易爆等危險(xiǎn)性介質(zhì)，閥門設(shè)計(jì)時(shí)需要充分考慮其安全性能，一旦這些介質(zhì)泄漏，可能引起火災(zāi)、爆炸、污染環(huán)境甚至人員傷亡事故。因此閥門設(shè)計(jì)需要相應(yīng)提高密封等級(jí)，內(nèi)漏按ISO 5208[6]的要求，外漏按ISO 15848[7]的要求。

此外，有些介質(zhì)由于其特殊性質(zhì)，對(duì)閥門的設(shè)計(jì)有不同的要求。例如氧氣閥門，氧氣為助燃?xì)怏w，設(shè)計(jì)時(shí)要考慮防止靜電引起火花。因此，閥門設(shè)計(jì)除了考慮溫度、壓力的影響，還要考慮流速的影響。高流速引起摩擦，碎屑、油脂等都可能導(dǎo)致火花。因此，氧氣閥門一般采用全通徑設(shè)計(jì)，操作狀態(tài)為全開或全關(guān)，壓差不能過大，使流動(dòng)穩(wěn)定；墊片和填料采用帶內(nèi)環(huán)的聚四氟乙烯纏繞式墊片，避免碎屑；閥門進(jìn)行脫脂處理。

不同介質(zhì)相態(tài)（氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)和兩相流等）對(duì)閥門設(shè)計(jì)的影響不容忽視。當(dāng)介質(zhì)中含有固體顆粒，會(huì)加速磨損，因而需要考慮閥門材料的耐磨性能；閥門型式上，如果為粒料系統(tǒng)，采用氣力輸送或者重力流輸送，壓力較低，密封要求不高的，可以采用刀閘閥。

研究發(fā)現(xiàn)，漿料系統(tǒng)是很多化纖生產(chǎn)裝置的特色之一，很多化纖裝置都有漿料系統(tǒng)。化纖生產(chǎn)裝置通常分為原料生產(chǎn)、聚合、紡絲、纖維加工四個(gè)系統(tǒng)。在聚合過程中，熔體管道（漿料管道）黏度較大，易凝易堵。因此漿料閥門的設(shè)計(jì)，要保證流道通暢，并使流體流動(dòng)沒有死角。一般要采用通徑，閥型常采用柱塞型特殊閥門。

圖1 是典型的柱塞閥，上進(jìn)側(cè)出。當(dāng)閥門關(guān)閉時(shí)，柱塞閥芯上升，閥芯頂端與設(shè)備或管道內(nèi)壁齊平，這樣就能保證當(dāng)閥門關(guān)閉時(shí)，設(shè)備或管道內(nèi)的介質(zhì)流動(dòng)是通暢的，而不會(huì)停留積聚在閥門入口的位置。

圖1 柱塞閥Fig.1 Piston valve

圖2 是典型的焊接式多通道熔體夾套閥門，物料從上面進(jìn)入，出口是2 開2 備（關(guān)閉），4 個(gè)出口的柱塞閥芯都是在閥門關(guān)閉時(shí)與閥門內(nèi)壁側(cè)面齊平的特殊設(shè)計(jì)，從而避免流動(dòng)死角導(dǎo)致物料積聚凝結(jié)。

圖2 典型焊接式多通道熔體夾套閥門Fig.2 Typical welded multi-channel melt jacket valve

熔體管道系統(tǒng)常需要采用夾套伴熱，閥門設(shè)計(jì)時(shí)為了保證溫度，亦常采用夾套閥門。伴熱系統(tǒng)的熱媒常采用熱油，熱油有毒性，易滲漏，容易積聚在保溫材料中，易自燃而發(fā)生火災(zāi)，因此閥門設(shè)計(jì)通常按低泄漏進(jìn)行設(shè)計(jì)，大多采用波紋管密封。

當(dāng)然，除了化纖裝置，某些化工裝置也有類似的工況。

5 特殊工況對(duì)閥門設(shè)計(jì)的影響

雖然各類裝置有一些共性，但每個(gè)裝置也有一些特殊工況，而這些特殊工況在各種類型的裝置中都可能存在。

（1）循環(huán)工況對(duì)閥門設(shè)計(jì)的影響

循環(huán)工況包括溫度循環(huán)和壓力循環(huán)等，劇烈循環(huán)工況[8]更容易導(dǎo)致閥門疲勞損壞。閥門設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)降低材料的許用應(yīng)力，并進(jìn)行疲勞分析，避免閥門提前失效。

（2）振動(dòng)工況對(duì)閥門設(shè)計(jì)的影響

有壓縮機(jī)或者往復(fù)泵時(shí)，連接的管線往往出現(xiàn)振動(dòng)。閥門設(shè)計(jì)應(yīng)避開管系的固有頻率，避免與管系產(chǎn)生共振。閥門設(shè)計(jì)需采取適當(dāng)?shù)姆勒翊胧?，比如采用全通徑設(shè)計(jì)，螺栓配置防松墊圈。

（3）真空工況對(duì)閥門設(shè)計(jì)的影響

真空工況下如果閥門泄漏，將使系統(tǒng)無法維持應(yīng)有的真空度。閥桿處密封失效將導(dǎo)致外部空氣進(jìn)入管道系統(tǒng)，因此閥門應(yīng)采用低泄漏填料設(shè)計(jì)，閥桿應(yīng)選耐磨性能好的材料，閥門型式上宜選用密封性能好的軟密封球閥等。

6 典型案例

乙烯裝置是石油化工裝置中的典型裝置。乙烯裝置通常以輕柴油為原料，采用高溫裂解和深冷分離工藝，生產(chǎn)純乙烯、純丙烯、混合C4 等產(chǎn)品。裝置大致可分為裂解系統(tǒng)、壓縮及干燥系統(tǒng)、乙烯分離系統(tǒng)和丙烯分離系統(tǒng)。以下為乙烯裝置典型閥門應(yīng)用工況分析。

從腐蝕方面看，由于乙烯原料來自煉油裝置，有煉油裝置常見的腐蝕工況。裂解系統(tǒng)中，裂解氣含乙烯、丙烯、氫氣、硫化氫等介質(zhì)，因此，按Nelson 曲線和Copper 曲線，550 ℃的裂解氣，閥門材料選用了CF8C 耐高溫不銹鋼；450 ℃裂解氣，閥門材料選用了A217 WC6 合金鋼。壓縮及干燥系統(tǒng)，是含有裂解氣的堿洗系統(tǒng)，含有硫化氫、二氧化碳以及氯離子等腐蝕性介質(zhì)，根據(jù)硫化氫濃度、二氧化碳濃度、氯離子含量等，閥門材料采用耐腐蝕性能較好的316L[9]。

從溫度方面看，乙烯分離系統(tǒng)為低溫系統(tǒng)，脫乙烷塔系統(tǒng)溫度至-52 ℃；脫甲烷塔系統(tǒng)溫度至-110 ℃；脫氫系統(tǒng)溫度至-165 ℃；因此，以上系統(tǒng)中閥門材料選用了耐低溫的304L 不銹鋼；而丙烯分離系統(tǒng)溫度至-46 ℃，就可選用LCB 低溫碳鋼。對(duì)于這些低溫閥門的承壓部件分別按-196 ℃和-46 ℃做低溫沖擊試驗(yàn)。閥門設(shè)計(jì)時(shí)，采用鈷鉻鎢硬質(zhì)合金堆焊的硬密封結(jié)構(gòu)；其中低溫蝶閥，采用增強(qiáng)柔性石墨密封。閘閥和球閥需在高壓側(cè)開一泄壓小孔，防止閥門關(guān)閉時(shí)中腔積聚的物料氣化導(dǎo)致升壓引發(fā)事故。

過熱蒸汽系統(tǒng)為高溫系統(tǒng)，溫度約545 ℃，13 MPa，CL2500，因此閥門選用了耐高溫高壓的F91、C12A 合金鋼材料，閥門設(shè)計(jì)時(shí)要考慮密封副的間隙設(shè)計(jì)，截止閥采用Y 型截止閥。

從介質(zhì)方面看，乙烯裂解氣含乙烯（甲類可燃?xì)怏w、甲A 類可燃液體）、丙烯（甲類可燃?xì)怏w、甲A 類可燃液體）、氫氣（甲類可燃?xì)怏w）[5]等危險(xiǎn)性介質(zhì)，因此閥門設(shè)計(jì)需要相應(yīng)提高密封等級(jí)，內(nèi)漏要求按ISO 5208，外漏要求按ISO 15848。

7 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，閥門設(shè)計(jì)與介質(zhì)特性、設(shè)計(jì)溫度、壓力、腐蝕環(huán)境、是否振動(dòng)、是否有循環(huán)工況等密切相關(guān)，而各種類型的裝置又有一些共性特點(diǎn)，在閥門設(shè)計(jì)時(shí)，這些共性可以借鑒。對(duì)于煉油裝置，氫、濕硫化氫、堿應(yīng)力腐蝕、液氨應(yīng)力腐蝕、連多硫酸應(yīng)力腐蝕等普遍存在，閥門選材要考慮符合NACE MR0175 和NACE MR0103 等的要求；化工裝置工況復(fù)雜多樣，除了腐蝕問題，要考慮高溫、高壓、低溫、超低溫等工況對(duì)閥門的影響；而化纖裝置在閥門設(shè)計(jì)時(shí)要考慮聚合物高黏、易凝的特性。當(dāng)然，一套裝置中的閥門設(shè)計(jì)僅考慮共性問題是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，閥門應(yīng)根據(jù)具體應(yīng)用環(huán)境進(jìn)行設(shè)計(jì)，以保證閥門長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)兼顧經(jīng)濟(jì)合理性。