大口徑超高溫蝶閥優異結構

                             大口徑超高溫蝶閥優異結構

                              上海申弘閥門有限公司

大口徑超高溫蝶閥優異結構概述
之前介紹抗硫夾套保溫球閥，現在介紹大口徑超高溫蝶閥用于催化裂化裝置能量煙氣回收系統，裝置的正常操作溫度680℃，允許高連續使用溫度720℃，高超溫800℃，輸送含有催化劑顆粒的再生煙氣介質。由于介質對閥門沖刷強烈，為防止閥體壁厚因沖刷減薄而失效，閥體內大面積堆焊硬質合金，閥體極易產生變形和開裂，堆焊難度較大。因為系統溫度較高，金屬材料在高溫中機械性能急劇下降，閥門應選用耐高溫材料。為防止閥門泄漏超標，引起系統煙機不能正常停車，從而造成重大事故，對閥門密封結構及其零件的加工精度要求較高。


2 大口徑超高溫蝶閥優異結構結構特點
大口徑超高溫蝶閥閥體由鋼板和鍛件法蘭焊接而成。閥桿為整體鍛件結構，由外部軸承座支撐，并通過二端銷連接帶動閥瓣轉動。2個半圓閥座前后錯開，與閥瓣呈對稱式分布，結合對稱式流線形結構的閥瓣，使閥門具有良好的流通性能。3組填料密封，外加密封劑和吹掃二道輔助密封組成了高可靠性閥桿填料密封系統（圖1）。 高溫蝶閥(高溫煙道擋板)也稱高溫煙氣蝶閥，閥體帶襯里閥板和閥座，均采用OCr25Ni20（2520），軸采用Cr18Ni9Ti耐熱不銹鋼制造。使閥門在高溫條件下有利于正常運行，減少積灰，使閥板不出現卡死現象、從而保證閥板開啟靈活。高溫煙道蝶閥具有高強度、耐磨、抗腐蝕等性能，結構上設有空氣吹掃孔。

    高溫煙道蝶閥根據用戶的需要，上園下方形，以適用不同截面形狀煙道的需要高溫煙道蝶閥亦可設計制造成方形。煙道擋板配用手動執行機構（當直徑φ≤900mm時配手輪機構），裝有指針和0~90指示牌。



3 設計依據
3.1 使用工況
工作壓力 0.199MPa
操作溫度 680℃
使用溫度 720℃（連續工作高溫度）
高超溫 800℃（<15min，每年少于6次）
輸送介質 含有催化劑顆粒的再生煙氣（大顆粒直徑為9.6μm，煙氣中催化劑密度<200g/m3
煙氣流量 67kg/s（大）
介質流向 水平
煙氣分子量 29.1
3.2 設計參數
煙氣流量 63kg/s（標準）
設計壓力 0.259MPa
設計溫度 704℃
設計壓差 0.152MPa
腐蝕裕度 3.2mm
閥體直徑 1219mm（48in.內徑）
流通面積 7503cm2（全開啟）
全開Cv值 42800
泄漏率 大流量的0.67%（Cvmax值的0.16%）



零件材質：

閥體	碳鋼襯耐材料 (襯耐火材料厚度可根據用戶管道內襯層厚度而定)
閥板	雙層耐熱合金(可據用戶設計溫度而定)
閥軸	耐高熱合金鋼
填料	石墨

4 研制

根據使用工況和設計參數要求，閥門研制的關鍵技術為正確選用主體材料、計算閥體小壁厚、設計密封副結構和閥桿填料密封系統。


4.1 主體材料選用
（1）閥體材料 閥門設計執行標準為ASMEB16134。按該標準中的壓力-溫度表計算得到的閥門常溫下的壓力等級數，就是設計基準，并以此來計算小壁厚。在設計過程中，閥體材料也選ASMEB16.34標準規定的材料，并且材料的適用溫度高于閥門工況高溫度。經過查閱了大量國內外類似工況的閥門設備材料使用情況，結合對高溫材料的使用經驗，選擇了性價比較高的304H作為閥體材料。此材料可減小蠕變對材料的影響。
（2）閥桿材料 根據高溫強度估算，奧氏體鋼在704℃的高溫工況下，強度降低64.5%以上，如果采用加大閥桿直徑提高其強度的方法，則超出閥門結構要求，因此奧氏體鋼不適宜做閥桿材料。lnconelX-750在704℃的高溫工況時，強度降低41.3%，但強度值還很大（表1）。根據屈服強度，并考慮持久強度計算得到的閥桿直徑，符合閥門結構要求，因此閥桿材料選用lnconelX-750。



4.2 結構設計
（1）閥體小壁厚
閥體小壁厚計算是為了保證閥門的壓力邊界完整。小壁厚采用規則法計算，計算標準按ASMEB16.34，在選擇壓力-溫度額定值時，有2種磅級選擇法。一種是選擇標準磅級，計算得到的小壁厚比較大，比較安全。另一種是選擇特殊磅級，計算得到的小壁厚比標準磅級小，但無損檢測要求較嚴。根據高溫工況的設計經驗，選擇了這二種磅級的組合形式，即在計算小壁厚的壓力-溫度額定值時，選用標準磅級，而閥體的無損檢測要求按特殊磅級。 大口徑超高溫蝶閥s用于催化裂化裝置能量煙氣回收系統, 裝置的正常操作溫度680 ℃, 允許高連續使用溫度720 ℃, 高超溫800 ℃, 輸送含有催化劑顆粒的再生煙氣介質。由于介質對閥門沖刷強烈, 為防止閥體壁厚因沖刷減薄而失效, 閥體內大面積堆焊硬質合金, 閥體極易產生變形和開裂,堆焊難度較大。因為系統溫度較高, 金屬材料在高溫中機械性能急劇下降, 閥門應選用耐高溫材料。為防止閥門泄漏超標, 引起系統煙機不能正常停車, 從而造成重大事故, 對閥門密封結構及其零件的加工精度要求較高。
上海申弘閥門有限公司主營閥門有：減壓閥(氣體減壓閥,可調式減壓閥,活塞式減壓閥,蒸汽減壓閥,先導式減壓閥,空氣減壓閥,氮氣減壓閥,水用減壓閥,自力式減壓閥、大口徑超高溫蝶閥閥體由鋼板和鍛件法蘭焊接而成。閥桿為整體鍛件結構, 由外部軸承座支撐,并通過二端銷連接帶動閥瓣轉動。2 個半圓閥座前后錯開, 與閥瓣呈對稱式分布, 結合對稱式流線形結構的閥瓣, 使閥門具有良好的流通性能。3 組填料密封, 外加密封劑和吹掃二道輔助密封組成了高可靠性閥桿填料密封系統(圖1) 。


大口徑超高溫蝶閥
超高溫蝶閥為了滿足高溫的要求，必需要滿足以下幾方面的要求：
1、閥體材料 閥門設計執行標準為ASMEB16134 。按該標準中的壓力- 溫度表計算得到的閥門常溫下的壓力等級數, 就是設計基準, 并以此來計算小壁厚。在設計過程中, 閥體材料也選ASME B16134 標準規定的材料, 并且材料的適用溫度高于閥門工況高溫度。經過查閱了大量國內外類似工況的閥門設備材料使用情況, 結合對高溫材料的使用經驗, 選擇了性價比較高的304H 作為閥體材料。此材料可減小蠕變對材料的影響。
2、閥桿材料 根據高溫強度估算, 奧氏體鋼在704 ℃的高溫工況下, 強度降低6415 %以上, 如果采用加大閥桿直徑提高其強度的方法, 則超出閥門結構要求, 因此奧氏體鋼不適宜做閥桿材料。lnconel X - 750 在704 ℃的高溫工況時, 強度降低4113 % , 但強度值還很大(表1) 。根據屈服強度,并考慮持久強度計算得到的閥桿直徑, 符合閥門結構要求, 因此閥桿材料選用lnconel X - 750 。
３、超高溫填料填料選用柔性石墨。其在空氣中氧化溫度為450 ℃, 并在此溫度下每24h 后質量減輕1 %。溫度越高, 質量減輕得越多, 氧化現象越嚴重。柔性石墨填料高使用溫度為650 ℃, 且僅用于非氧化介質。考慮到填料在填料函內處于壓緊密封狀態,只有一部分與空氣接觸, 有資料介紹處于這種狀態的填料使用溫度可達816 ℃。
大口徑超高溫蝶閥的研制, 主要是解決閥體主體材料的選用、蝶閥密封副結構及閥桿密封結構的設計等問題, 并通過試驗選取了超高溫填料,為石化行業催化裂化裝置系統用閥門的設計和制造
首先按標準磅級計算壓力等級額定指數Pc。
①已知設計溫度704℃，設計壓力0.259MPa，主體材料304H，按照ASMEB16.34采用插入法計算得到Pc=178lb。
②已知閥體進口流道內徑dm=1219mm，Pc=178lb，按照ASMEB16.34，采用插入法計算，小壁厚為28.42mm。
③48in1大口徑閥門應考慮結構應力，需要增加壁厚附加值，其數值取6.35mm。
④考慮腐蝕裕度需增加壁厚附加值3.2mm。
⑤考慮結構應力和腐蝕裕度后的小壁厚為28.42+6.35+3.2=37.97mm。閥體小壁厚取值為38mm。


（2）密封副結構
閥門泄漏率要求為大流量的0.67%，當泄漏超標就會引起系統煙機不能正常停車，從而造成重大事故。普通煙氣蝶閥閥體通道內沒有閥座，閥瓣僅起調節煙氣介質流量的作用，不起密封作用（圖2）。根據性能要求，大口徑高溫蝶閥設有閥瓣和閥座密封副，對閥門的流通性能、密封可靠性和啟閉力矩3個方面進行了設計研究。首先按常規蝶閥設計了密封副（圖3），此形式密封可靠，雖然閥瓣旋轉中心與密封面存在偏心力矩，使啟閉力矩增大，但經過計算，力矩也在可以接受的范圍之內。此結構的缺點是流通性能差，不能滿足全開截面積的設計要求。經過反復設計、修改和計算，完成了對開式閥座密封副設計（圖4），該閥座是2個半圓閥座，它們前后錯開與閥瓣呈對稱式分布，使得閥瓣能夠設計成對稱式流線形結構，使閥門具有良好的流通性能，從而滿足了全開截面積要求和全開Cv值要求。由于閥瓣結構對稱，所以啟閉力矩較小。雖然其密封面某一處可能有泄漏現象，但只要合理控制閥瓣和閥座的尺寸精度、形位公差和二者之間的裝配誤差，就能有效控制泄漏率在合格范圍之內。


（3）閥桿密封結構
蝶閥用于催化裂化裝置能量回收系統，裝置上高連續使用溫度720℃，高超溫達800℃，不但工況惡劣，而且檢修周期長（短為一年），要求在檢修周期內閥桿密封可靠。閥桿的密封是通過填料組件實現。該填料組件由裝在填料函內的內側、中間和外側3組填料、4個隔環、2個止動螺栓、壓套、壓板和一組碟簧及螺柱螺母組成，外加吹掃系統和密封劑注入口來輔助密封（圖5）。

隔環1設計長度盡可能長，使內側填料離高溫區遠些，可延長填料及閥桿的使用壽命。隔環2的作用是讓內側和中間二組填料壓縮均勻。隔環3的主要作用是容納密封劑。隔環4為開槽式，它與止動螺栓配合使用，當外側填料緊固時，也就緊固了其他填料。止動螺栓的作用是限制填料系統的相對位置。碟簧的作用是即使填料發生松弛，碟簧的預緊力也能保證填料處于相對壓緊狀態，防止因填料松弛而泄漏。
當發生泄漏時，吹掃系統中的流量指示器將顯示出流量。如果是漏向外側，可通過緊固填料螺栓來緊固外側的填料。當內側泄漏時，可從密封劑注入口注入密封劑來加強中間填料。當隔環4接觸到底仍有泄漏時，必須更換外側填料。更換外側填料時，必須加強中間填料并且在獲得中間密封后，將吹掃裝置關斷。這時可在運行時卸除并更換外側填料。吹掃系統僅作為備用裝置。當內側填料磨損不能形成密封情況下，使用吹掃裝置，從而使閥桿或隔環不出現損壞。吹掃裝置連接到高于閥門工作壓力0.04～0.07MPa的一個氮氣或儀表空氣的連續供氣源上。即使出現泄漏，泄漏的將是吹掃介質，無任何危險，確保閥門使用安全。
（4）超高溫填料
填料選用柔性石墨。其在空氣中氧化溫度為450℃，并在此溫度下每24h后質量減輕1%。溫度越高，質量減輕得越多，氧化現象越嚴重。柔性石墨填料高使用溫度為650℃，且僅用于非氧化介質。考慮到填料在填料函內處于壓緊密封狀態，只有一部分與空氣接觸，有資料介紹處于這種狀態的填料使用溫度可達816℃。為了驗證填料的可靠性，做了多次試驗。
試驗是將填料壓緊在模擬的填料函內，放入熱處理爐中加熱到816℃后保溫48h取出，原來灰黑色的填料變得灰黃，輕碰即碎，顯然填料已經失效，但又不象氧化失效。經分析確認，常規填料因為要防止Cr13材料的閥桿產生點腐蝕需填加緩蝕劑，是緩蝕劑導致了填料在高溫下失效。考慮到lnconelX-750閥桿材料不存在點腐蝕傾向，所以填料內可以不加緩蝕劑。將不含緩蝕劑的填料壓緊在模擬的填料函內，經加熱至816℃并保溫48h后，灰黑色填料沒有變色，填料的彈性也沒變化，只是跟空氣接觸部分有明顯的氧化現象。為了改進柔性石墨的高溫性能，將不含緩蝕劑的柔性石墨與高溫抗氧化板制成的填料壓緊在模擬的填料函內，經加熱至816℃并保溫48h后，灰黑色的填料沒有變色，填料的彈性也沒變化，跟空氣接觸部分有少許氧化現象。由此初步證實了處于壓緊密封狀態的填料使用溫度可達816℃的可靠性。經過多次試驗改進制成了超高溫柔性石墨填料。



 CSD941W單水冷式超高溫蝶閥安裝使用及配套說明

冷卻水為0.3MPA軟化水，水溫≤30℃，冷卻水消耗量為(0.01～0.03)DNm3/h..

1， 用戶在進出口處的兩個流量調節閥進行調節進口處的進水量，使出口處水溫≤60～80℃，并調節出口的水流速大于進口處的流速，同時在閥門使用前確保閥板內腔注滿水。

2， 確保冷卻水足夠循環，當流量開關報警時必須及時處理。

3， 當手動操作時，不得在手輪上再增加輔助杠桿，手輪順時針旋轉為閥開，反之為閥關。

4， 本閥可不平或垂直安裝，但閥軸應處于水平位置，非水平安裝請注明夾角，本閥可按使用要求設計制造，電動裝置不允許做起吊用，并嚴禁碰撞。

5， 確保進出水管道系統暢通，同時出水管應高出閥門位置。

6， 電動執行機構技術參數及原理接線圖請參閱電動執行機構說明書。

需附件請注明(伺服放大器，電動操作器，控制箱，配法蘭等)   



CSD941W單水冷式超高溫蝶閥冷卻水進出水管連接尺寸表：

規格	150	200	250	300	350	400	450	500	600	700	800	900
DN	20	20	20	25	25	25	32	32	40	40	40	50
D1	65	65	65	75	75	75	90	90	100	100	100	110
D	90	90	90	100	100	100	120	120	130	130	130	140
Z1-d1	4-10	4-10	4-10	4-10	4-10	4-10	4-12	4-12	4-12	4-12	4-12	4-12
H1	90	115	140	190	190	215	240	265	315	365	415	465
規格	1000	1200	1400	1600	1600	1800	2000	2200	2400	2600	2800	3000
DN	50	65	65	80	80	80	80	80	80	80	80	80
D1	110	130	130	150	150	150	150	150	150	150	150	150
D	140	160	160	190	190	190	190	190	190	190	190	190
Z1-d1	4-12	4-12	4-12	4-16	4-16	4-16	4-16	4-16	4-16	4-16	4-16	4-16
H2	515	615	715	815	815	915	1015	1115	1215	1315	1415	1515

裝使用
1，用戶在進出口處的兩個流量調節閥進行調節進口處的進水量，使出口處水溫≤60～80℃，并調節出口的水流速大于進口處的流速，同時在閥門使用前確保閥板內腔注滿水。
2， 確保冷卻水足夠循環，當流量開關報警時必須及時處理。
3， 當手動操作時，不得在手輪上再增加輔助杠桿，手輪順時針旋轉為閥開，反之為閥關。
4， 本閥可水平或垂直安裝，但閥軸應處于水平位置，非水平安裝請注明夾角，本閥可按使用要求設計制造，電動裝置不允許做起吊用，并嚴禁碰撞。
5， 確保進出水管道系統暢通，同時出水管應高出閥門位置。
6， 電動執行機構技術參數及原理接線圖請參閱電動執行機構說明書。
需附件請注明（伺服放大器，電動操作器，控制箱，配法蘭等）
雙水冷式超高溫蝶閥注：冷卻水為0.3MPA軟化水，水溫≤30℃，冷卻水消耗量為（0.01～0.03）DNm3/h.
5 結語
大口徑超高溫蝶閥的研制成功，主要解決了閥體主體材料的選用、蝶閥密封副結構及閥桿密封結構的設計等問題，并通過試驗選取了超高溫填料，為石化行業催化裂化裝置系統用閥門的設計和制造取得了經驗。 與本產品相關論文：1150度高溫蝶閥在催化裂化裝置應用