介紹氰氟酸烷基化裝置中，高溫高壓條件下旋塞閥的設(shè)計(jì)理論。概述了旋塞閥不同于其他閥門的獨(dú)特性能。閥門的密封是閥門一個關(guān)鍵，對旋塞閥的密封結(jié)構(gòu)作了改進(jìn)，有效減小了內(nèi)部泄漏和外部泄漏的可能性。

一、前言

　　烷基化裝置中的催化劑氰氟酸具有劇毒、強(qiáng)腐蝕性，對工藝、設(shè)備及原料等方面要求極其嚴(yán)格，裝置安全長周期，運(yùn)行難度很大。由于運(yùn)行成本高，經(jīng)濟(jì)效益不明顯，國內(nèi)僅剩幾套裝置在繼續(xù)生產(chǎn)。高溫高壓下的氫氟酸汽化為氣體，更易對人體造成傷害。所以保證烷基化裝置中各零件的密封性和可靠性相當(dāng)重要。普通旋塞閥靠精加工的金屬塞體與閥體間的直接接觸來密封，所以密封性較差，啟閉力大，容易磨損，通常只用于低壓強(qiáng)(不高于1MPa)和小口徑(小于100mm)的場合。為了擴(kuò)大旋塞閥的應(yīng)用范圍，已經(jīng)研制出了許多新型結(jié)構(gòu)。旋塞閥(如圖1所示)的設(shè)計(jì)參數(shù)：介質(zhì)：HF+2.5%水;最高工作壓力：p=3.88MPa;最高使用溫度：T=260℃。為了保證其可靠性和安全性，必須提高閥門的使用壽命和降低閥門的泄漏，以保證人身和環(huán)境安全。

圖1 旋塞閥外形圖

二、旋塞閥的設(shè)計(jì)

　　設(shè)計(jì)條件是：介質(zhì)：HF+2.5%水;最高工作壓力：p=3.88MPa;最高使用溫度：T=260℃;接管通徑80mm。

1、塞子通道的設(shè)計(jì)

　　塞子的夾角通常制成4°，夾角太小不是使塞子與閥體相互卡住，就是使塞子的旋轉(zhuǎn)發(fā)生困難，如圖2所示。但也有文獻(xiàn)上是按比例來決定塞子錐體的錐度，塞體的主要尺寸和計(jì)算方法見表1。

表1 旋塞通道孔面積的設(shè)計(jì)與計(jì)算

　　為了減小進(jìn)入旋塞的流體的阻力損失和水力損失，把旋塞孔上方的通道改成圓弧形，然后對通道的邊緣進(jìn)行倒圓角。盡管通道的圓角引起的面積損失會產(chǎn)生一些誤差(為了不使幾何圖形復(fù)雜，圖中沒有畫出圓角)，但實(shí)際上還是把塞子的通道面積看作是圖2中Wd和Hd的乘積。

圖2 旋塞幾何形狀

2、閥體主要結(jié)構(gòu)尺寸的確定

　　(1)結(jié)構(gòu)長度

　　旋塞閥閥體的主要尺寸如圖3所示，其中L為閥體的結(jié)構(gòu)長度。由于閥門尺寸比較大，采用法蘭連接。而根據(jù)《使用閥門設(shè)計(jì)手冊》中可以看到，我國使用的閥體的結(jié)構(gòu)長度是有一定標(biāo)準(zhǔn)的，這里只取出了適合所設(shè)計(jì)閥門通徑的數(shù)據(jù)，見表2。

表2 法蘭連接旋塞閥的結(jié)構(gòu)長度

　　注：表中黑體所示的尺寸優(yōu)先選用。

　　由以上可知，本設(shè)計(jì)所取的結(jié)構(gòu)長度為短系列，即283mm。

圖3 閥體主要尺寸

　　(2)閥體厚度

　　對于閥體的壁厚，我國規(guī)定了最小壁厚(見表3)。

表3 閥體的最小壁厚

　　用插值法可以得出閥體壁厚的最小值為6.65mm，考慮到HF的腐蝕，取最小壁厚為8mm。

　　也可以參考有些文獻(xiàn)上推薦使用的壁厚計(jì)算公式，如：

tm=1.5pcd/(2S-1.2pc)

　　式中

　　tm——閥體必要的最小厚度，單位為in(1in=25.4mm，下同)；pc——公稱壓力，單位為psi(1psi=6.895kPa)；d——內(nèi)徑，單位為in；S——應(yīng)力，S=7000psi。

　　把本文中的單位化為上式所要求的單位后：pc=562.6psi，d=2.4in，帶入上式得tm=0.101in，即2.6mm。所以上面取的8mm符合條件，之后通過對閥體強(qiáng)度校核發(fā)現(xiàn)，該厚度依然滿足強(qiáng)度要求。

　　(3)其他主要尺寸

　　閥體的其他主要尺寸同樣也由旋塞閥的公稱通徑確定，數(shù)據(jù)見表4。

表4 閥體其他主要尺寸 (mm)

　　由表4用插值法可以得出H=142，S=38，Q=36。

三、閥門各部件的選材

　　由于使用條件是高溫高壓，而且介質(zhì)是有很強(qiáng)腐蝕性和毒性的氫氟酸，為了提高閥門的耐蝕性，同時兼顧設(shè)備的經(jīng)濟(jì)性，旋塞閥應(yīng)采用Ni-Cu合金整體制造生產(chǎn)。Ni-Cu合金在所有濃度和所有溫度的氫氟酸中耐腐蝕，即穩(wěn)定性很突出，而且受流速影響小，因此泵、閥門等處于流速較高的條件下的設(shè)備和零件采用Ni-Cu合金更合適。在HF烷基化裝置系統(tǒng)中，該合金能很好地滿足設(shè)計(jì)要求，達(dá)到比較可靠的勞動保護(hù)效果。整體Ni-Cu合金閥門的閥體、閥蓋和閥塞均采用HS-1品級的鑄造Ni-Cu合金，其化學(xué)成分(%)和力學(xué)性能見表5。

　　表5HS-1的化學(xué)成分和力學(xué)性能旋塞閥其他主要部件的選材分別如下：閥蓋、金屬膜片和填料壓蓋均為Ni-Cu合金，墊片為柔性石墨，密封膜片為PTEE/F46。

表5 HS-1的化學(xué)分成和力學(xué)性能

四、旋塞閥密封性

　　HF烷基化裝置中，由于液化石油氣易燃易爆，而催化劑HF有很強(qiáng)的腐蝕性和毒性，勞動保護(hù)要求較高，所以旋塞閥的密封性能就要求比較高，為了提高密封性，對傳統(tǒng)的旋塞閥做了改進(jìn)，如圖4所示。

1.金屬纏繞墊 2.密封襯套 3.閥體 4.墊片 5.密封膜片 6.金屬膜片 7.填料壓套 8.閥蓋 9.調(diào)節(jié)盤 10.填料 11.定位板 12.螺栓 13.閥塞

圖4 旋塞閥結(jié)構(gòu)圖

　　密封機(jī)理如下：在整個旋塞閥腔內(nèi)部和端面壓入一個特制的PFA密封襯套，利用閥體上的倒梯形溝槽和旋塞與密封套緊密貼合，達(dá)到很好的密封效果。閥桿與塞體為整體結(jié)構(gòu)，簡化了制造工藝。如圖4所示，在閥桿密封裝置的下部為一柔性石墨墊片，上面還有一個PTEE/F46密封膜片，最上面用一Ni-Cu合金金屬膜片蓋住，利用壓蓋將Ni-Cu合金金屬膜片、PTEE/F46密封膜片和柔性石墨墊片與閥體壓緊，防止HF通過閥體泄漏。閥桿上還裝有一個填料壓蓋，壓蓋下部裝有一圈柔性石墨填料，借助螺栓將其壓緊，一方面使填料在閥桿上受擠壓，一方面將上述兩膜片和墊片壓入旋塞與閥桿連接處的深槽內(nèi)，形成反唇密封。這種密封借助于閥內(nèi)壓力可以起到自封的作用，可以有效防止HF的泄漏。另外，密封裝置中的柔性石墨填料和墊片在萬一發(fā)生火災(zāi)時，耐熱的柔性石墨能夠防止閥內(nèi)的介質(zhì)泄入大氣。

　　閥體與管子連接處也是容易發(fā)生泄漏的地方，所以對其也要進(jìn)行密封設(shè)計(jì)。由于閥體尺寸較大，所以端面采用法蘭與管道連接，而密封襯套的外圍又用金屬纏繞墊進(jìn)行密封，進(jìn)一步加強(qiáng)了密封。

五、結(jié)論

　　1)這種旋塞閥閥桿處的密封更加安全可靠，閥內(nèi)整體襯套有效防止了內(nèi)部泄漏、減少了工藝損失。與普通旋塞閥相比，該閥門具有良好的密封性能和耐蝕性，并具有防火作用，啟閉力矩小，開關(guān)靈活好用，能滿足烷基化裝置中的生產(chǎn)要求。

　　2)經(jīng)過ANSYS分析結(jié)果表明，閥體的主要應(yīng)力集中部位就是閥缸與通道的連接處，這為閥門的設(shè)計(jì)和鑄造生產(chǎn)工藝提供了可靠的依據(jù)。在設(shè)計(jì)時應(yīng)注意減小這里的應(yīng)力集中，適當(dāng)增加厚度來減小失效的可能性。

　　3)閥內(nèi)部的整體襯套浪費(fèi)材料，為了使襯套更好地貼合在閥體內(nèi)壁，需要在閥體內(nèi)部加工出幾處工藝槽，增加了加工工藝。