炼油烷基化装置旋塞阀的设计

    一、前言
    烷基化装置中的催化剂氰氟酸具有剧毒、强腐蚀性，对工艺、设备及原料等方面要求极其严格，装置安全长周期，运行难度很大。由于运行成本高，经济效益不明显，国内仅剩几套装置在继续生产。高温高压下的氢氟酸汽化为气体，更易对人体造成伤害。所以保证烷基化装置中各零件的密封性和可靠性相当重要。普通旋塞阀靠精加工的金属塞体与阀体间的直接接触来密封，所以密封性较差，启闭力大，容易磨损，通常只用于低压强（不高于1MPa）和小口径（小于100mm）的场合。为了扩大旋塞阀的应用范围，已经研制出了许多新型结构。旋塞阀（如图1所示）的设计参数：介质：HF+2.5%水；最高工作压力：p=3.88MPa；最高使用温度：T=260℃。为了保证其可靠性和安全性，必须提高阀门的使用寿命和降低阀门的泄漏，以保证人身和环境安全。

图1 旋塞阀外形图

    二、旋塞阀的设计
    设计条件是：介质：HF+2.5%水；最高工作压力：p=3.88MPa；最高使用温度：T=260℃；接管通径80mm。
    1.塞子通道的设计
    塞子的夹角通常制成4°，夹角太小不是使塞子与阀体相互卡住，就是使塞子的旋转发生困难，如图2所示。但也有文献上是按比例来决定塞子锥体的锥度，塞体的主要尺寸和计算方法见表1。

表1 旋塞通道孔面积的设计与计算

    为了减小进入旋塞的流体的阻力损失和水力损失，把旋塞孔上方的通道改成圆弧形，然后对通道的边缘进行倒圆角。尽管通道的圆角引起的面积损失会产生一些误差（为了不使几何图形复杂，图中没有画出圆角），但实际上还是把塞子的通道面积看作是图2中Wd和Hd的乘积。

图2 旋塞几何形状

    2.阀体主要结构尺寸的确定
    （1）结构长度
    旋塞阀阀体的主要尺寸如图3所示，其中L为阀体的结构长度。由于阀门尺寸比较大，采用法兰连接。而根据《使用阀门设计手册》中可以看到，我国使用的阀体的结构长度是有一定标准的，这里只取出了适合所设计阀门通径的数据，见表2。

表2 法兰连接旋塞阀的结构长度

注：表中黑体所示的尺寸优先选用。

    由以上可知，本设计所取的结构长度为短系列，即283mm。

图3 阀体主要尺寸

    （2）阀体厚度
    对于阀体的壁厚，我国规定了最小壁厚（见表3）。

表3 阀体的最小壁厚

    用插值法可以得出阀体壁厚的最小值为6.65mm，考虑到HF的腐蚀，取最小壁厚为8mm。
    也可以参考有些文献上推荐使用的壁厚计算公式，如：
    tm=1.5pcd/（2S－1.2pc）
    式中        
    tm——阀体必要的最小厚度，单位为in（1in=25.4mm，下同）；
    pc——公称压力，单位为psi（1psi=6.895kPa）；
    d——内径，单位为in；
    S——应力，S=7000psi。
    把本文中的单位化为上式所要求的单位后：pc=562.6psi，d=2.4in，带入上式得tm=0.101in，即2.6mm。所以上面取的8mm符合条件，之后通过对阀体强度校核发现，该厚度依然满足强度要求。
    （3）其他主要尺寸
    阀体的其他主要尺寸同样也由旋塞阀的公称通径确定，数据见表4。

表4 阀体其他主要尺寸 （mm）

    由表4用插值法可以得出H=142，S=38，Q=36。
    三、阀门各部件的选材
    由于使用条件是高温高压，而且介质是有很强腐蚀性和毒性的氢氟酸，为了提高阀门的耐蚀性，同时兼顾设备的经济性，旋塞阀应采用Ni-Cu合金整体制造生产。Ni-Cu合金在所有浓度和所有温度的氢氟酸中耐腐蚀，即稳定性很突出，而且受流速影响小，因此泵、阀门等处于流速较高的条件下的设备和零件采用Ni-Cu合金更合适。在HF烷基化装置系统中，该合金能很好地满足设计要求，达到比较可靠的劳动保护效果。整体Ni-Cu合金阀门的阀体、阀盖和阀塞均采用HS－1品级的铸造Ni-Cu合金，其化学成分（%）和力学性能见表5。
    表5HS－1的化学成分和力学性能旋塞阀其他主要部件的选材分别如下：阀盖、金属膜片和填料压盖均为Ni-Cu合金，垫片为柔性石墨，密封膜片为PTEE/F46。

表5 HS-1的化学分成和力学性能

    四、旋塞阀密封性
    HF烷基化装置中，由于液化石油气易燃易爆，而催化剂HF有很强的腐蚀性和毒性，劳动保护要求较高，所以旋塞阀的密封性能就要求比较高，为了提高密封性，对传统的旋塞阀做了改进，如图4所示。

1.金属缠绕垫2.密封衬套3.阀体4.垫片5.密封膜片6.金属膜片
7.填料压套8.阀盖9.调节盘10.填料11.定位板12.螺栓13.阀塞
图4 旋塞阀结构图

    密封机理如下：在整个旋塞阀腔内部和端面压入一个特制的PFA密封衬套，利用阀体上的倒梯形沟槽和旋塞与密封套紧密贴合，达到很好的密封效果。阀杆与塞体为整体结构，简化了制造工艺。如图4所示，在阀杆密封装置的下部为一柔性石墨垫片，上面还有一个PTEE/F46密封膜片，最上面用一Ni-Cu合金金属膜片盖住，利用压盖将Ni-Cu合金金属膜片、PTEE/F46密封膜片和柔性石墨垫片与阀体压紧，防止HF通过阀体泄漏。阀杆上还装有一个填料压盖，压盖下部装有一圈柔性石墨填料，借助螺栓将其压紧，一方面使填料在阀杆上受挤压，一方面将上述两膜片和垫片压入旋塞与阀杆连接处的深槽内，形成反唇密封。这种密封借助于阀内压力可以起到自封的作用，可以有效防止HF的泄漏。另外，密封装置中的柔性石墨填料和垫片在万一发生火灾时，耐热的柔性石墨能够防止阀内的介质泄入大气。
    阀体与管子连接处也是容易发生泄漏的地方，所以对其也要进行密封设计。由于阀体尺寸较大，所以端面采用法兰与管道连接，而密封衬套的外围又用金属缠绕垫进行密封，进一步加强了密封。
    五、结论
    1）这种旋塞阀阀杆处的密封更加安全可靠，阀内整体衬套有效防止了内部泄漏、减少了工艺损失。与普通旋塞阀相比，该阀门具有良好的密封性能和耐蚀性，并具有防火作用，启闭力矩小，开关灵活好用，能满足烷基化装置中的生产要求。
    2）经过ANSYS分析结果表明，阀体的主要应力集中部位就是阀缸与通道的连接处，这为阀门的设计和铸造生产工艺提供了可靠的依据。在设计时应注意减小这里的应力集中，适当增加厚度来减小失效的可能性。
    3）阀内部的整体衬套浪费材料，为了使衬套更好地贴合在阀体内壁，需要在阀体内部加工出几处工艺槽，增加了加工工艺。