PTA裝置用大口徑鈦合金截止閥設(shè)計及計算

丁強偉，劉興玉，李 成，張新奇，李光輝

（1.中國船舶集團有限公司第七二五研究所，河南 洛陽 471000；2.海南逸盛石化有限公司，海南 儋州 578101）

近年來，得益于石化行業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的不斷進步及PTA產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展需求，新建及擴建的PTA裝置不斷增加，PTA裝置規(guī)模日趨大型化[1]。PTA裝置中鈦合金閥門屬于高端閥門，該類閥門一般安裝在生產(chǎn)工藝流程前端、氧化反應(yīng)器附近，介質(zhì)為250℃左右的醋酸、氫溴酸和工藝漿料等，含粉狀顆粒，應(yīng)用工況十分苛刻。PTA裝置用大口徑鈦合金截止閥口徑一般為6～14寸，壓力150 lb、300 lb，一般應(yīng)用于限流場合，要求其具備耐磨、耐腐蝕、耐高溫、長壽命、低逸散和啟閉靈活等性能。由于工況苛刻、產(chǎn)品材質(zhì)特殊、口徑大和技術(shù)含量高，設(shè)計、選材和工藝等具備其自身特點，長期以來一直依賴進口。近年來隨著我國國產(chǎn)化、自主可控大環(huán)境影響，該類閥門國產(chǎn)化研制及供貨已十分迫切，基于此研制設(shè)計適用于PTA工況的大口徑鈦合金截止閥。

1 設(shè)計標準

目前國際上暫無系統(tǒng)性地介紹鈦合金閥門的設(shè)計標準，如涉及到壓力-溫度基準、最小壁厚取值等內(nèi)容，國內(nèi)關(guān)于鈦合金截止閥的相關(guān)標準多來自于船舶行業(yè)，一般設(shè)計壓力不大于4.0 MPa，公稱通徑小于DN150，且過流介質(zhì)均為正常工況海水，與PTA高溫、大口徑和強腐蝕性工況不同。我國PTA行業(yè)鈦合金閥門的設(shè)計、制造和試驗一般參照美標鋼制閥門執(zhí)行，個別參照英國標準、德國標準[2]。

大口徑鈦合金截止閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計標準主要參照：ASME B16.34—2007《法蘭、螺紋和焊連接的閥門》、API STD 623《鋼制截止閥-法蘭連接和對焊端螺栓連接閥蓋》、BS 1873：1975《石油、石化及相關(guān)工業(yè)用法蘭端和對焊端鋼制截止閥和截止止回閥》、MSS SP-42-1999《法蘭端和對焊端耐腐蝕的閘閥、截止閥、角閥和止回閥150磅級》、GB/T 12235—2007《石油、石化及相關(guān)工業(yè)用鋼制截止閥和升降式止回閥》。結(jié)構(gòu)長度標準和法蘭標準一般按以下標準執(zhí)行：ASME B16.10—2007《閥門結(jié)構(gòu)長度》、ASME B16.5《管法蘭和法蘭管件的解讀》。檢驗和試驗標準一般按以下標準執(zhí)行：API 598《閥門的檢查與試驗》、API 624《帶FE石墨填料升降桿閥門的型式測試》。

2 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點

鈦合金大口徑截止閥如圖1所示，主要由閥體、閥瓣、閥桿、閥蓋、閥桿螺母和手輪等零件組成。本閥靠旋轉(zhuǎn)手輪，作用于閥桿螺母，使閥桿升降而帶動閥瓣作垂直于流體的直線位移來達到啟閉目的，采用一體式主密封閥座及閥蓋上密封設(shè)計，采用錐面密封結(jié)構(gòu)，密封比壓大，操作扭矩小；采用低逸散組合式填料結(jié)構(gòu)，閥門具有優(yōu)良的低逸散密封特性；本閥門關(guān)閉時手輪按順時針方向旋轉(zhuǎn)，可采用撞擊式手輪或傘形錐齒輪箱操作。

圖1 鈦合金大口徑截止閥

3 主要部件選材

PTA用大口徑鈦合金截止閥的工藝介質(zhì)一般是含醋酸工藝漿料、HBr催化劑和堿等，具有極強的腐蝕性，溫度可達250℃，鈦材除了滿足ASTM規(guī)范外，一般要求低鐵低氫，同時鈦材鍛件的屈強比應(yīng)小于85%，選材一般需綜合考慮應(yīng)用工況、材料強度剛度、工藝成型性、密封副及摩擦副材料配合等。綜上，一般選材如下。

閥體、閥蓋：ASTM B367 C-2。

閥桿、閥瓣：ASTM B348 F5。

閥桿螺母：ASTM B148 C95500。

填料組：組合石墨（編結(jié)石墨+柔性石墨）。

中法蘭墊片：柔性石墨夾鈦絲。

4 技術(shù)方案

4.1 升降式閥桿結(jié)構(gòu)

大口徑截止閥在閥桿上裝有導(dǎo)向塊，閥門啟閉時，導(dǎo)向塊沿著閥蓋支架上的筋板做升降運動，保證閥瓣密封面在啟閉瞬間不會發(fā)生旋轉(zhuǎn)摩擦，從而延長閥門使用壽命。根據(jù)應(yīng)用現(xiàn)場調(diào)研，若采用旋轉(zhuǎn)升降式閥桿結(jié)構(gòu)，閥瓣一旦出現(xiàn)卡滯，操作不當(dāng)、閥瓣劇烈旋轉(zhuǎn)摩擦閥座密封面，受力不均會使閥瓣與閥瓣蓋之間的焊點破壞，長此以往出現(xiàn)閥瓣脫落的現(xiàn)象，嚴重影響截止閥使用壽命及系統(tǒng)運行安全。另一方面，閥桿只做升降運動，可減小閥桿對填料的磨損，從而保證填料函處的密封。同時，大口徑鈦合金截止閥閥桿軸向力一般都較大，為了減小操作力矩，一般在閥桿螺母上均需要安裝推力球軸承[3]，如圖2所示。

圖2 推力軸承安裝位置

4.2 錐面密封結(jié)構(gòu)

PTA及大部分石化行業(yè)用截止閥為保證良好的密封性能，多采用錐面密封結(jié)構(gòu)（即閥瓣錐度β與閥座錐度α相等，如圖3所示）。事實上，零件加工過程始終存在加工誤差（如同軸度、圓柱度和傾斜度等），其密封效果十分不理想。參考國內(nèi)外文獻樣本，密封面采用線接觸密封（即閥瓣錐度β與閥座錐度α存在一個角度差，關(guān)閉時閥瓣密封面與固定的閥座錐面呈相切狀態(tài)）。實際使用密封效果優(yōu)于面對面密封，且密封副選材閥瓣為鈦合金，閥座為工業(yè)純鈦，兩者存在本質(zhì)硬度差，密封效果更加可靠。同時，可采用氣相沉積、滲氮等技術(shù)進行硬化處理使錐形閥瓣密封面致密堅硬，以提高密封面的抗汽蝕性、耐磨性和使用壽命[4]。

圖3 錐面密封副形式

4.3 閥瓣導(dǎo)向結(jié)構(gòu)設(shè)計

大口徑截止閥閥桿行程長、閥瓣體積及重量大，高壓差、高流速工況下閥瓣所受的介質(zhì)沖擊力巨大，一般需要設(shè)計導(dǎo)向機構(gòu)來保證閥瓣密封面和閥座密封面的緊密貼合，否則在極端工況下，閥桿可能出現(xiàn)彎曲、偏移等，進而造成密封失效或者閥瓣卡滯等情況?，F(xiàn)有截止閥設(shè)計標準中，API STD 623中指出當(dāng)壓力大于等于900 lb時，閥瓣的導(dǎo)向需由非閥桿方式實現(xiàn)，GB/T 12235—2007中指出閥瓣必須有可靠的導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，保證任何工況下，閥瓣均能與閥座同軸并保持密封，規(guī)定了公稱尺寸大于等于DN200的截止閥止回閥閥瓣應(yīng)有閥座或閥體的導(dǎo)向機構(gòu)。目前，大口徑截止閥的閥瓣導(dǎo)向結(jié)構(gòu)主要有以下3種形式如圖4所示，可供設(shè)計選擇，從而改善閥瓣的對中性，提高閥門的密封可靠性[5]。

圖4 閥瓣不同的導(dǎo)向結(jié)構(gòu)

4.4 上密封結(jié)構(gòu)

BS 1873：1975、API STD 623等截止閥設(shè)計標準中均要求閥桿與閥蓋底部之間設(shè)計有上密封結(jié)構(gòu)，一般情況下碳鋼閥門要求上密封座獨立且堆焊硬質(zhì)耐蝕合金、不銹鋼可采用一體式閥座。改為鈦制閥門后腐蝕問題得到解決，可將上密封座與閥蓋設(shè)計為一體，類似于主密封仍設(shè)計成差異化錐面密封，保證密封更加可靠。

4.5 低逸散設(shè)計

近年來，節(jié)約能源和保護環(huán)境越來越受到重視，PTA裝置中對揮發(fā)性有機物（VOC）的逸散也提出了要求，閥門中VOC的逸散主要來自于閥桿填料處[6]，目前一般要求該位置VOC泄漏量小于等于100 ppm甚至50 ppm，為此針對PTA工況大口徑截止閥可采用雙重密封結(jié)構(gòu)，下裝內(nèi)外側(cè)帶O圈的填料墊，上裝組合式低逸散石墨填料組如圖5所示，以此來保證大口徑截止閥的低逸散設(shè)計要求。BS 1873：1975截止閥設(shè)計標準中安裝填料隔環(huán)、緊急情況下注膠強制密封的措施目前已很少使用，且不符合環(huán)境要求。當(dāng)然，低逸散的控制除了科學(xué)的設(shè)計，還要靠填料函、閥桿的加工精度及組合式填料的綜合性能等保證[7]。

圖5 低逸散型石墨組合填料

4.6 閥門操作方式

大口徑截止閥需保證手動啟閉力小于360 N，如果手操力矩較大，可使用撞擊式手輪，撞擊式手輪（如圖6所示是利用手輪較大的轉(zhuǎn)動慣量，使閥門開啟更容易或關(guān)閉更嚴，讓閥門開、關(guān)有效。針對PTA鈦合金閥門工況，大口徑截止閥一般大于等于12＂150 lb、大于等于10＂300 lb、大于等于8＂600 lb時需安裝傘形齒輪箱如圖7所示。

圖6 撞擊式手輪

圖7 傘形齒輪箱

5 PTA截止閥設(shè)計計算

以8＂CLass 300截止閥為典型規(guī)格，對其主要零部件進行設(shè)計計算。

5.1 閥體壁厚計算

通過計算可知，閥體選用ASTM B367 C-2鑄件時，計算得到壁厚為9.07 mm。查BS 1873：1975標準中tB-min為17.4mm，查ASME B16.34標準中tB-min為11.0mm，參考ASME B16.34—2007附錄B中，關(guān)于確定壓力-溫度額定值的方法確定實際工況下的壓力值，考慮接口尺寸要求及加工工藝性，閥體實際壁厚tB為20 mm，tB≥tB-min滿足要求。

5.2 密封比壓的計算

閥瓣和閥體密封之間采用硬密封，閥瓣和閥體的密封副密封面比壓按下式計算

式中：FMJ為密封面處介質(zhì)力，N；FMF為密封面上密封力，N；DMN為密封面內(nèi)徑，mm；bm為密封面寬度，mm。其中必需比壓qMF按下式計算

式中：DMW為密封面外徑，mm；α為半錐角，（°）；fM為錐形密封面摩擦系數(shù)，查表取0.35。

將式（3）、（4）、（5）計算結(jié)果代入式（2）中得

密封面為金屬硬密封，許用比壓[q]=100 MPa，qMF＜q＜[q]，滿足密封要求。

5.3 閥桿總軸向力計算

截止閥在啟閉過程中閥桿有2種動作方式，一種是閥桿旋轉(zhuǎn)式升降，另外一種是升降式，對于大規(guī)格閥門一般采用升降式，小規(guī)格閥門中閥桿動作方式采用旋轉(zhuǎn)式升降。由于篇幅原因及本文計算校核閥門口徑較大等原因，只對升降式閥桿受力分析。

介質(zhì)從閥瓣下方流入時，閥桿最大軸向力在關(guān)閉最終時產(chǎn)生，閥桿軸向合力按下式計算

式中：FMF為密封面上密封力，N；FMJ為密封面處介質(zhì)力，N；FT為閥桿與填料間的摩擦力，N；FJ′為關(guān)閉時導(dǎo)向鍵對閥桿的摩擦力，N。

其中

式中：dF為閥桿直徑，mm；hT為填料層總高度，mm；μT為閥桿與填料間的摩擦系數(shù)，對石棉填料為μT=0.15、對聚四氟乙烯填料為μT=0.05～0.1。

關(guān)閉時導(dǎo)向鍵對閥桿的摩擦力FJ′為

式中：RJ為計算半徑，mm，取70 mm；fJ為導(dǎo)向鍵與閥桿鍵槽間的摩擦系數(shù)，取0.2；R′FM為關(guān)閉時閥桿螺紋的摩擦半徑，mm，取6.38。

將式（4）、（5）、（7）、（8）計算結(jié)果代入式（6）得

5.4 閥桿強度校核計算

當(dāng)介質(zhì)從閥瓣下方流入時，最大載荷在關(guān)閉最終時閥桿受壓。

5.4.1 拉壓應(yīng)力校核

拉壓應(yīng)力按式（9）校核

式中：σ為閥桿所受的拉壓應(yīng)力，MPa；F′FZ為閥桿總軸向力，N；A為閥桿的最小截面積，一般為螺紋根部或退刀槽的面積，mm2；[σ]為材料的許用拉或壓應(yīng)力，MPa。

閥桿材料選擇為ASTM B381 F5材料，材料的許用應(yīng)力[σ]=358 MPa，σ≤[σ]，校核合格。

5.4.2 扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力校核

扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力按式（10）校核

式中：τN為閥桿所受的扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力，MPa；M為計算截面處的力矩，N·mm；ω為計算截面的抗扭截面系數(shù)，mm3，對圓形截面為ω=πd3/16；[τN]為材料的許用扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力，MPa，取215 MPa。其中ω=3.14×403/16=12 560 mm3。

對于介質(zhì)從閥瓣下方流入的情況，在關(guān)閉時閥桿螺母凸肩與支架地方最薄弱，對其進行校核。其中關(guān)閉時閥桿螺母凸肩與支架間摩擦力矩M′FJ按式（11）計算

閥桿材料選擇為ASTM B381 F5材料，材料的許用剪切應(yīng)力[τN]=215 MPa，τN≤[τN]，校核合格。

5.4.3 合成應(yīng)力校核

將σ=134.6 MPa，τN=93.4 MPa代入式（12）中

閥桿材料選擇為ASTM B381 F5材料，材料的許用合成應(yīng)力[σΣ]=358 MPa，σΣ≤[σΣ]，校核合格。

6 結(jié)束語

PTA用鈦合金大口徑截止閥的設(shè)計沒有現(xiàn)成標準參考，但是結(jié)合產(chǎn)品應(yīng)用工況、鈦合金材質(zhì)特性等可以進行針對性地設(shè)計，確保產(chǎn)品使用可靠。

（1）針對產(chǎn)品實際應(yīng)用工況，鈦合金大口徑截止閥應(yīng)采用閥桿升降式結(jié)構(gòu)、錐面密封，以及必要的閥瓣導(dǎo)向結(jié)構(gòu)支撐，降低介質(zhì)的逸散排放、手操需靈活，必要時加裝齒輪箱。

（2）針對鈦合金材質(zhì)特性，充分消化、吸收現(xiàn)有鋼制截止閥設(shè)計標準，了解標準本身含義，對閥門壁厚、密封比壓、中法蘭、閥桿直徑確定等零部件進行設(shè)計校核，確保設(shè)計的產(chǎn)品裕量足夠、安全可靠。

鈦合金大口徑截止閥的設(shè)計還需持之以恒，不斷積累技術(shù)，爭取更好的產(chǎn)品更新迭代，服務(wù)國內(nèi)PTA市場。