高压平行闸阀在加氢装置中的应用

    高压加氢装置是石油工业深加工的一种重要手段，通过加氢工艺，不但可以提高轻油回收率，而且能够提高燃料油的质量，从而提高炼油厂的整体效益。
    根据原料油的不同，加氢工艺分为汽油加氢、柴油加氢、煤油加氢、渣油加氢等。由于介质的特殊性，加氢工艺一般具有高压和临氢状态，并且伴随有硫化氢气体的产生，不仅操作压力很高（一般在15～20MPa），而且介质为氢气，易燃易爆。高压氢气具有很大的能量，一旦阀门出现问题，将产生不可挽回的损失，甚至导致重大事故的发生。
    1 高压闸阀使用工况分析
    加氢装置中使用的高压闸阀，主要功能为紧急切断和紧急放空。紧急切断的介质为原料油、高低分液、高低分气；紧急放空的介质为高分气。原料油或高低分液都含有大量的氢气和硫化氢气体，压力为6.2～17.2MPa左右，有时会伴随着高温。因为需要紧急处理，所以要求闸阀动作速度非常快，在10s以内，而且要求实现零泄漏。
    目前这类阀门主要依赖进口，一方面是由于位置重要，一般不敢尝试使用国内产品；另一方面是国内很少有厂家能够提供与国外产品性能相当的产品，包括材料选择，加工制造，结构设计等。
    无锡亚迪流体控制技术有限公司于2006年就研发及制造了此类阀门，2007年在陕西神木天元化工有限公司的加氢装置中得到实际验证，使用效果很好，达到了进口产品质量及水平，完全可以替代国外进口产品。
    2 阀门结构选择原则
    该公司参照国外的做法，采用气动闸阀的结构。国内闸阀大体有两种结构：楔形和平行闸阀，表1针对每种结构的具体特点进行分析，以选择最理想的闸阀结构。

表1 楔形和平行闸阀的比较

    根据这四种闸阀的结构特点和加氢装置的实际工况，该公司采用双平行闸阀结构，阀体阀盖采用自密封结构，可以满足零泄漏、动作速度快、耐高温高压等要求。下面针对以上四种结构特点具体分析选择平行闸阀的原因。
    3 各种闸阀具体结构特点
    3.1 常压楔形闸阀（垫圈密封型阀盖）
    常压楔形闸阀（垫圈密封型阀盖）的结构如图1所示。

图1 楔形闸阀（垫圈密封型阀盖）

    执行机构的力作用在阀板上与阀座产生密封比压，从而达到密封效果。阀盖与阀体靠垫圈密封，密封压力不大于4.1MPa，可设计上密封结构。当温度高于400℃时，由于阀板的膨胀导致阀杆的向上膨胀，此时需要选择气动执行机构；如果选择电动执行机构，则阀杆很容易出现弯曲或动作不良现象。
    在高温、长期关闭状态下，阀打开时容易出现卡死现象，这是由于内外膨胀的不均匀性所致。该阀不可应用于危险性介质，如氢气等，当快速关闭时阀板对阀座会产生极大的冲击力，容易产生火花而出现危险状况。
    3.2 楔形闸阀（自密封型阀盖）
    楔形闸阀（自密封型阀盖）的结构如图2所示。

图2 楔形闸阀（自密封型阀盖）

    自密封结构可承受6.2MPa以上的压力，采用上密封结构，其他特点和楔形闸阀（垫圈密封型阀盖）相同。
    3.3　平行闸阀（楔形转平行）
    平行闸阀（楔形转平行）的结构如图3所示。
    执行机构推动右侧阀板通过楔形面，从而使平行阀板与阀座产生密封比压，达到密封效果。可做成上密封结构和自密封阀盖结构，以承受更高压力。但是阀门在关闭时不能承受高温，也不能长期在高温下关闭，这一点与楔形闸阀相同。

图3 平行闸阀（楔形转平行）

    3.4　平行闸阀（绝对平行闸阀）
    平行闸阀（绝对平行闸阀）的结构如图4所示。
    依靠介质压力推动前阀板，压缩后阀板，后阀板与阀座产生密封比压，达到严密关断效果。阀前压力越大，密封效果越好，特别适用于高温高压场合。因为该阀关闭时阀前与型腔贯通，所以可长期高温关闭。此外，该阀没有冲击密封力，可用于危险介质开关，动作平稳。因为阀板可上下自由膨胀，所以可配置电动执行机构，不会出现卡死现象；该结构已经获得发明专利。

图4 绝对平行闸阀

    4 阀体及阀内件材料的选择及制造
    因为介质基本上为氢气或含氢介质，同时也伴随硫化氢气体，所以所有材料的选择应特别慎重，必须符合NACE MR0175抗硫化物腐蚀材料标准中的规定，特别是与介质接触的零部件。
    对于加氢装置中介质的特点，笔者认为采用锻造的阀体结构最合理。铸造结构的阀体，一方面其铸造壁厚余量不大，另一方面容易出现铸造缺陷，如金属夹杂、气孔、裂纹等缺陷，导致氢气的积聚，诱发裂纹，同时也容易出现氢脆现象；在高温情况下还容易出现脱碳现象，从而加速氢腐蚀的进程。另外，大壁厚的铸造在国内还不成熟，很难避免出现以上问题。因此，笔者采用锻造方式。
    除了采用锻造结构外，应该对有害的金属元素S，P进行控制，将其质量分数控制在0.02%以内，最大质量分数只能放宽到0.03%；非金属夹杂物要求不高于2.5级；晶粒度：碳钢与合金钢不低于5级，不锈钢不低于8级，厚度大于100mm时不低于6级。
    除了对承压件的材料控制外，对生产过程中的氯离子也应该严格控制，尤其是填料和产品试压时，氯离子质量分数应小于5×10-5，应采用氮氢混合气进行试压。即使采用水压进行试验，也一定要控制水中的氯离子，使其质量分数合格后方可进行。
    所有的材料及焊接部位，都要严格进行UT探伤，探伤合格级别为I级。
    阀门选择的主要材料有A105碳钢，304，316，321，347不锈钢等。其中阀板、阀座、自密封部分选用硬质司太立合金材料，堆焊材料牌号分别为STL12，STL6，STL21，从而确保了不同零件的硬度使用要求，而且所有的堆焊层厚度不得小于2mm。经过以上的材料控制和生产控制，完全能够满足加氢装置的要求。
    5 结束语
    加氢装置使用的紧急切断和紧急放空闸阀，应根据不同的工况进行选择，不可盲目地选择闸阀结构。如在高温高压的情况下，不可选择楔形闸阀，只能选择平行闸阀结构。同时，在高温高压下选择执行机构时，也需要注意高温膨胀性，最好选择气动执行机构来进行高温膨胀补偿。若一定要选择电动执行机构，则必须选择平行闸阀结构。
    该公司研发的平行闸阀广泛应用在加氢装置、电厂蒸汽系统、高压乙烯、合成氨等紧急切断和紧急放空的安全保护系统中，使用效果非常好；阀门经第三方机构进行了动作寿命试验，满足10万次后仍达到零泄漏的目标。同时该阀门的使用，改善了平行高温高压闸阀长期以来依赖进口的局面。