高压加氢装置阀门的使用及要求

 1 概 述

      高压加氢工艺是石油深加工的一个重要手段，它不仅能提高单位原油的轻油收回率。而且能提高燃料油的质量，从而提高炼油厂的整体效益。高压加氢装置还能为石油化工装置提供优质的原料，也是油品脱硫的理想装置。我国从 90 年代开始了高压加氢装置的建设，预计今后的几年中，随着我国炼外油量的逐年增多，高压加氢装置的建设仍将是石化行业的一大热点，各大石化企业也都想藉此提高其炼油的水平和能力，以迎接加入 WTO 的挑战。

      2 工况条件

      高压加氢装置的介质环境有 2 个突出的特点，即高压和临氢（并伴随硫化氢）操作。

      高压操作不仅仅是因为其操作压力高（一般为 14-20 MPa），而且还在于其介质为易燃易爆的高压气体（氢气或油气+氢气）。高压气体储存了较大的压力能．一旦其储输设备（包括管道阀门）损坏，引起的事故将是灾难性的。

      临氢并伴随硫化氢操作。表明了对储输设备材料的苛刻要求。氢气是一种能渗透到金属材料内部并在常温或高温下引起材料变性（恶化）的介质，常温下能引起金属材料的脆化和变形等，高温下能导致金属材料内部和外部脱碳。硫化氢对金属材料的腐蚀也是一个十分棘手的问题，常温下它能引起许多金属材料的应力腐蚀开裂，高温下它能引起金属材料的快速均匀腐蚀。所有的这些特点都对高压加氢阀门的材料、结构设计和强度设计等提出了严格的要求。

      3 需求情况

      高压加氢装置中的阀门，既有临氢条件，又有非临氢条件，既有高压条件，又有非高压条件。本文仅讨论高压临氢条件下应用的阀门，这类阀门虽然数量不多，但其价格却占有较大的比例。此类阀门有闸阀、截止阀、止回阀、球阎和旋塞阀，压力等级为 ASME 的 CL900~2500，温度为常温至 400℃，主体材料有 ASTMA105、A182—F11/F22/F321、A216—WCB、A217—WC6／WC9、A351—CF8C，阀门直径为 DN15-400 mm。这些阀门的功能与普通阀门相同，但国内目前尚不具备成套供应的能力，主要原因在于阀门制造厂与用户（尤其是工程设计部门）沟通联系不够，不了解阀门的使用条件和要求，缺少一套与介质条件相适应的技术文件、模具和图纸等，而且缺步工业化批量生产的经验。

      开发高压加氢装置中的阀门，不仅能降低阀门价格。而且可减少供货周期，方便补充订货，同时又能推动阀门行业的发展。事实上，我国目前一些阀门制造厂已具备生产高压加氢阀门的能力和条件，而且在加氢精制装置（操作压力 8~10 MPa）上已有成功的应用。

      性能良好的阀门，其设计、制造、检查试验及质量控制等各个方面和各个环节都做的比较好。本文以其中的几个主要问题（包括阀门的内漏、外潺、强度设计、材料、检查试验及质量控制），结合高压加氡装置的介质条件进行探讨。

      4 内漏和外漏的控制

      阀门内漏和外漏控制的好坏是反映阀门品质的一个重要参数，制造厂均采取各种措施以尽量减少阀门的内漏和外漏。油品和氢气的外漏和内漏不仅会污染环境，还易引起火灾或爆炸。阀门的内漏主要发生在闸板处，外漏主要发生在阀杆填料和阀盖垫片处，故要获得良好的密封性能就要从这 3 处着手。

      4.1 填料密封外漏

      对 DN ≥ 50mm 的闸阀和截止阀，在阀杆密封处采用柔性石墨环和柔性石墨编织填料是国外翻造厂的普遍做法。其中填料的最上圈和最下圈采用柔性石墨编织环，以利用其强度较高（与模压石墨环相比）的特点阻止石墨被挤入阀腔或阎外，中间则采用模压石墨环（有时也在中间适当的位置增设编织环）。由于柔性石墨的流动性好，有减磨性，同时石墨还具有良好的物理和化学稳定性，因此用它作为填料既可获得良好的密封，又可减少对阀杆的磨损。对于填料函尺寸较小的球阀、旋塞阀和小口径的闸阀和截止阀，则仅用柔性石墨编织填料即可。

      填料在装填过程中进行预压缩也是保证良好密封（尤其是长期良好密封）的措旋之一。国内的阀门在填料装填过程中大多数仅限于压实填料，故其密封性随应用时间增长而变差。国外某些阎门产品在填料装填过程中采用了 28 MPa 的预压力，且设计了专用的预压缩工具，因此它能维持较长时间的良好密封。当然，填料的预压力太大，将增加对阀杆的磨损，增加阀门的开启力，因此此时应在填料选择和阀杆表面处理上进行改进。采用以柔性石墨环为主的填料可减少阀杆的磨损，同时也可降低阀门的开启扭矩。

      还有一些阀门在填料压盖处采用了“活载”结构。即在填料压盖的螺栓上增设碟簧，使填料压盖始终作用于填料上较大的压力，从而可防止因压盖螵栓松弛或填料松弛而造成的外漏。

      4.2 垫片密封外漏

      对 DN ≥ 50mm 的闸阀、截止阀和止回阀，可采用压力密封阀盖。而对于球阀、旋塞阀（多为下阀盖）和 DN ≤ 40mm 的闸阔、截止阀和止回阀，一般采用法兰连接阀盖。压力密封阔盖的密封有 2 处，其一为阈盖与环垫片（图 1）的接触处，其二为环垫片与阀体的接触处。国外的一些阀门产品，将环垫片与阀盖的接触面设计成变角度圆弧过渡面，使它与阀盖的密封为线密封，从而显著提高了其严密性，但它增加了环垫片的加工难度。还有将环垫片表面及相应的阀体密封面镀上一层银，因为银的塑性较好，容易填充密封面上的微观孔隙，因此大大提高了阀盖垫片处的密封性能。