楊 剛

(中國(guó)石化工程建設(shè)公司儀表自控室,北京 100011)

煉油裝置儀表測(cè)量管路用閥門(mén)種類(lèi)的選用

楊 剛

(中國(guó)石化工程建設(shè)公司儀表自控室,北京 100011)

閥門(mén)是儀表測(cè)量管路中最關(guān)鍵的組成部分,其性能直接影響到整個(gè)測(cè)量管路系統(tǒng)的可靠性。由于工藝介質(zhì)的溫度、壓力和物理化學(xué)性質(zhì)上的差異,以及閥門(mén)在測(cè)量管路中所處的位置不同,對(duì)于閥門(mén)的性能和使用要求有很大區(qū)別。加工高硫和高含酸原油煉油裝置的長(zhǎng)周期安全運(yùn)行以及裝置的大型化,對(duì)儀表測(cè)量管路的設(shè)計(jì)提出更高的要求。設(shè)計(jì)人員應(yīng)充分了解各種類(lèi)型閥門(mén)的功能特點(diǎn),針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)合進(jìn)行選用,重點(diǎn)介紹了儀表測(cè)量管路中閥門(mén)的類(lèi)型和選用。

測(cè)量管路;閥門(mén);結(jié)構(gòu)特點(diǎn);閥門(mén)選用

0 引 言

在儀表測(cè)量管路中,閥門(mén)是保證儀表可靠測(cè)量的最重要部件,也是操作頻繁、故障率最高的部件。以往為了設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)便和減少儀表材料的種類(lèi),測(cè)量管路中儀表閥門(mén)的選擇種類(lèi)比較單一,基本以截止閥為主。隨著石油煉制工業(yè)的迅速發(fā)展和進(jìn)步,加工高硫和高含酸原油煉油裝置的長(zhǎng)周期安全運(yùn)行以及裝置的大型化,對(duì)儀表測(cè)量管路的設(shè)計(jì)提出了嚴(yán)格的要求。由于截止閥的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了其應(yīng)用的局限性,因此如何針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)合選用適宜的閥門(mén)是儀表工程師越來(lái)越關(guān)注的問(wèn)題。所用閥門(mén)的結(jié)構(gòu)是否合適,直接關(guān)系到儀表測(cè)量管路的安全運(yùn)行和儀表測(cè)量的精度,經(jīng)濟(jì)是否合理,也影響著建設(shè)投資和運(yùn)行費(fèi)用。該文重點(diǎn)對(duì)測(cè)量管路中閥門(mén)種類(lèi)的選用進(jìn)行探討。

1 閥門(mén)的種類(lèi)及特點(diǎn)

目前煉油裝置中常用的儀表測(cè)量閥門(mén)種類(lèi)有截止閥、閘閥、球閥和止回閥等。

1.1 截止閥

1.1.1 結(jié)構(gòu)形式

截止閥是閥芯由閥桿帶動(dòng)沿閥座軸線做升降運(yùn)動(dòng)的閥門(mén)。截止閥按結(jié)構(gòu)形式不同又分為直通形閥、直流形(Y形)閥、針形閥和儀表閥組,如圖1所示。

圖1 截止閥結(jié)構(gòu)形式

a)圖1a)所示的直通形(T形)閥是截止閥中最常用的結(jié)構(gòu)形式,介質(zhì)的進(jìn)出口通道在同一水平方位上,其流道結(jié)構(gòu)導(dǎo)致流體通過(guò)閥門(mén)時(shí)壓力降較大。

b)圖1b)所示的直流形(Y形)閥的閥座和閥芯中心線與閥體水平中心線呈45°夾角,其介質(zhì)流向?yàn)閺拈y芯下方進(jìn)入,當(dāng)閥芯開(kāi)啟后,介質(zhì)幾乎沿著閥門(mén)通道的水平線方向流出,故稱之為直流式。

c)圖1c)所示的針形閥結(jié)構(gòu)與 T形截止閥相似,不同的是閥芯為錐形針狀,閥桿通常用細(xì)螺紋以取得微量調(diào)節(jié)效果。

d)圖1d)為儀表閥組的局部剖圖,儀表閥組實(shí)際上是多個(gè)互通的T形截止閥或針形閥的組合,按照組成閥門(mén)的數(shù)量不同分為兩閥組、三閥組和五閥組。

1.1.2 特點(diǎn)及應(yīng)用

截止閥可以改變流體通道的截面積,即可用于截?cái)嘁部捎糜诠?jié)流和調(diào)節(jié)壓力或流量,是儀表測(cè)量管路中最常用的閥門(mén)。截止閥是強(qiáng)制密封閥門(mén),閥門(mén)關(guān)閉時(shí)必須使閥芯壓緊閥座。閥門(mén)關(guān)閉時(shí)需要克服的阻力是閥桿和填料的摩擦力以及介質(zhì)壓力在閥桿截面上的推力,由于密封力和介質(zhì)壓力在同一軸線上,所需的密封力較大,密封容易泄漏,啟閉行程長(zhǎng),較為困難。

a)T形截止閥結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,啟閉時(shí)間短,但流道復(fù)雜,閥門(mén)通徑相對(duì)較小,密封面間容易夾住介質(zhì)中的固體顆粒。

b)Y形截止閥的流體阻力較小,適用于含固體顆?；蝠ざ却蟮牧黧w。Y形截止閥的啟閉行程更長(zhǎng),制造、維修、安裝和操作復(fù)雜,造價(jià)也比較高,一般用于高壓場(chǎng)合。

c)針形閥可以作為精確的流量限制用,但流通能力很小,容易堵塞,一般用于測(cè)量管路截止、分支、終端等場(chǎng)合,也用于分析儀采樣系統(tǒng)等需要微量調(diào)節(jié)、工藝介質(zhì)潔凈的場(chǎng)合。

d)儀表閥組結(jié)構(gòu)緊湊,操作方便,一般與現(xiàn)場(chǎng)儀表直接安裝在一起,可以減少安裝空間和中間管件的數(shù)量,有很好的密封性和調(diào)節(jié)性。但儀表閥組結(jié)構(gòu)比較單一,多采用針形閥芯和螺紋閥蓋,這種結(jié)構(gòu)不應(yīng)直接用于黏稠、臟污、高危害介質(zhì)以及溫度變化頻繁等苛刻工況[1]。

1.2 閘 閥

1.2.1 結(jié)構(gòu)形式

閘閥是指閘板由閥桿帶動(dòng),沿閥座密封面做升降運(yùn)動(dòng)的閥門(mén)。按閘板形式不同又分為楔式閘板閥和平行式閘板閥,如圖2所示。

圖2a)所示的楔式閘板密封面與閘板垂直中心成一定傾角,稱為楔半角。楔式閘板又分為楔式單閘板和楔式雙閘板。

圖2b)所示的平行式閘板的兩個(gè)密封面平行,閥座密封面垂直于管道中心線。平行閘板中間有一對(duì)楔形嵌塊。平行閘板又分為平行式單閘板和平行式雙閘板。

圖2 閘閥的結(jié)構(gòu)形式

1.2.2 特點(diǎn)及應(yīng)用

楔形閘閥密封性能較差、行程省力、通道簡(jiǎn)單、流通面積大、流體阻力小,但尺寸大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工困難、密封面易磨損、容易泄漏、不易維修、啟閉時(shí)間長(zhǎng)。尤其在高壓場(chǎng)合,在流體推力的作用下,閘板與閥座的摩擦力非常大,閥門(mén)開(kāi)啟困難,密封面磨損情況也比較嚴(yán)重。閘閥一般適用于全開(kāi)或全閉,不能作調(diào)節(jié)和節(jié)流使用。

楔形閘板閘閥靠楔形擠壓密封,在流體壓力不高時(shí)也能達(dá)到一定的密封效果。但楔形閘閥在高溫場(chǎng)合由于熱膨脹等原因,容易出現(xiàn)閘板與閥座卡緊,難以開(kāi)啟的情況。

由于平行單閘板閥自身無(wú)法達(dá)到強(qiáng)制密封,目前已很少使用。平行雙閘板閥靠平板間楔形嵌塊外推密封,密封效果很好。由于楔形嵌塊與平行雙閘板間的動(dòng)配合作用,可以實(shí)現(xiàn)關(guān)閉嚴(yán)密、開(kāi)啟省力。由于平行雙閘板閥在關(guān)閉和開(kāi)啟過(guò)程中,與閥座直接開(kāi)合,沒(méi)有相互摩擦,可以達(dá)到很好的密封效果,使用壽命較長(zhǎng)。

1.3 球 閥

1.3.1 結(jié)構(gòu)形式

球閥的啟閉件為一球體,圍繞閥體的垂直中心線做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。按閥體結(jié)構(gòu)分為兩片式、三片式、頂裝式;按裝配形式分為螺紋裝配、法蘭裝配;按閥芯結(jié)構(gòu)形式分為浮動(dòng)球閥和固定球閥,如圖3所示;按照閥座密封材料分為硬密封(金屬密封)球閥和軟密封球閥等多種類(lèi)型。

如圖3a)所示,浮動(dòng)球的球體是可浮動(dòng)的,在介質(zhì)壓力的作用下球體被壓緊到出口側(cè)的密封圈上。

如圖3b)所示,固定球的球體被上下兩端的軸承固定,通過(guò)能產(chǎn)生推力的浮動(dòng)閥座,使密封圈壓緊在球體上。

圖3 球閥的閥芯結(jié)構(gòu)形式

1.3.2 特點(diǎn)及應(yīng)用

球閥有操作簡(jiǎn)便、啟閉迅速、密封性好、可自清洗、閥位標(biāo)示明顯等優(yōu)點(diǎn),近年來(lái)得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用,并有逐步取代閘閥和截止閥的趨勢(shì)。浮動(dòng)球的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,一般為單側(cè)密封,密封效果好,但啟閉力矩大[2]。固定球啟閉省力,但結(jié)構(gòu)復(fù)雜,外形尺寸大,造價(jià)昂貴,一般只用于高壓大口徑場(chǎng)合。在儀表測(cè)量管路中一般多采用浮動(dòng)球閥。

軟密封球閥的閥座密封材料主要采用聚四氟乙烯、石墨、混合材料等,閥門(mén)的工作溫度與密封材料有關(guān),不能太高。同時(shí)軟密封球閥一般應(yīng)采取防靜電措施[3],在易燃、易爆介質(zhì)的場(chǎng)合使用時(shí)還應(yīng)采取防(耐)火結(jié)構(gòu)[4]。由于閥門(mén)制造技術(shù)的不斷進(jìn)步,硬密封球閥已經(jīng)可以做到嚴(yán)密密封,適用于高溫、高壓、腐蝕性介質(zhì)及含有固體顆粒等多種苛刻工況,因此,在儀表測(cè)量管路設(shè)計(jì)中,很多用戶喜歡采用硬密封球閥。

1.3.3 主要故障原因及解決方案

近期一些煉油裝置在運(yùn)行過(guò)程中,部分球閥出現(xiàn)了卡死、內(nèi)漏等現(xiàn)象,使得一些用戶對(duì)使用球閥產(chǎn)生了疑慮。由于硬密封球閥的加工制造質(zhì)量要求比較高,因而球閥在使用過(guò)程中出現(xiàn)故障的原因多是產(chǎn)品質(zhì)量和施工過(guò)程不當(dāng)引起的。

a)加工精度不高。對(duì)于球閥來(lái)說(shuō),要求球體與閥座有正確的幾何形狀、良好的吻合程度和較高的表面光潔度,球體的表面粗糙度值應(yīng)不大于Ra0.4[5]。如果球體表面光潔度不夠就會(huì)引起球體與密封圈的摩擦力過(guò)大,造成啟閉困難,尤其在蒸汽、高溫氣體等工藝介質(zhì)無(wú)法起到對(duì)球體潤(rùn)滑作用的場(chǎng)合,這種現(xiàn)象非常普遍。球體幾何形狀加工精度不夠會(huì)造成球體與密封圈之間的間隙,出現(xiàn)閥門(mén)內(nèi)漏的情況。

b)彈簧預(yù)緊力設(shè)置不當(dāng)。為了保證球閥在低壓場(chǎng)合也有足夠的密封性,球閥在出廠前應(yīng)調(diào)節(jié)預(yù)緊彈簧使球體與密封圈之間產(chǎn)生一定的密封壓。初始的密封壓如果設(shè)置過(guò)大,當(dāng)閥門(mén)關(guān)閉時(shí)在介質(zhì)壓力的共同作用下,閥門(mén)的操作會(huì)較困難;而初始密封壓設(shè)置過(guò)小,在介質(zhì)壓力不能提供足夠的推力時(shí),又無(wú)法保證閥門(mén)的密封性。

c)焊接方式不當(dāng)。對(duì)焊接連接方式的球閥,在施工焊接尤其是焊后熱處理過(guò)程中,閥體的受熱面積不能過(guò)大,必要時(shí)應(yīng)采取局部降溫措施。由于儀表閥門(mén)尺寸較小,閥內(nèi)件與焊口距離很短,焊接時(shí)溫度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致閥體和閥座變形,從而引起閥座與閥體、閥座與球體吻合不好出現(xiàn)泄漏。情況嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)霈F(xiàn)彈簧變形、密封填料炭化、密封圈斷裂等現(xiàn)象。

雖然硬密封球閥性能優(yōu)良、使用溫度高、耐用,但高精度的硬密封球閥制造成本較高。軟密封球閥密封性能好、操作省力、制造成本較低。因此在選用過(guò)程中應(yīng)綜合考慮介質(zhì)情況、使用條件、建設(shè)投資等因素。

為了減少由于施工過(guò)程中焊接不當(dāng)造成閥門(mén)損壞的情況,除了要規(guī)范和監(jiān)督施工過(guò)程外,也可根據(jù)工藝和現(xiàn)場(chǎng)安裝條件適當(dāng)采用法蘭或螺紋連接方式的球閥,或者選用長(zhǎng)閥體型或者連接端部帶短管的焊接球閥[4]。

1.4 止回閥

止回閥又稱單向閥,其作用是防止管道介質(zhì)倒流。止回閥屬于自動(dòng)類(lèi)閥門(mén),其啟閉動(dòng)作由介質(zhì)自身能量驅(qū)動(dòng)。止回閥按結(jié)構(gòu)形式不同分為升降式和旋啟式。

升降式止回閥的閥體和閥芯與截止閥相似,但其閥芯的上部和閥蓋下部加工有導(dǎo)向套筒,閥芯導(dǎo)向筒可以在閥蓋導(dǎo)向筒內(nèi)自由升降。升降式止回閥可分為直通式和立式兩種。旋啟式的閥芯成圓盤(pán)狀,繞閥座通道的轉(zhuǎn)軸做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

升降式較旋啟式密封性好,流體阻力大,直通式安裝在水平管道上,立式安裝在垂直管道上。旋啟式止回閥的安裝位置不受限制,可裝在水平、垂直或傾斜的管線上。但旋啟式止回閥不宜制成小口徑閥門(mén),在儀表測(cè)量管路中很少使用。

2 閥門(mén)的設(shè)計(jì)選用

2.1 儀表測(cè)量管路閥門(mén)的應(yīng)用特點(diǎn)

一種采用自動(dòng)沖灌隔離液系統(tǒng)的差壓流量變送器的測(cè)量管路方案如圖4所示。

圖4 典型儀表測(cè)量管路方案

在整個(gè)測(cè)量管路中設(shè)置了多個(gè)閥門(mén),每個(gè)閥門(mén)的用途和工況也不盡相同。閥門(mén)的設(shè)計(jì)和選用除了根據(jù)管道級(jí)別、設(shè)計(jì)溫度、設(shè)計(jì)壓力和介質(zhì)的(腐蝕)性質(zhì)等設(shè)計(jì)條件,以及閥門(mén)的固有性能和經(jīng)濟(jì)合理性等因素進(jìn)行統(tǒng)籌考慮外,還要考慮閥門(mén)在儀表測(cè)量管路中的應(yīng)用特點(diǎn)。儀表測(cè)量管路與工藝管道最大的不同是儀表正常運(yùn)行時(shí)整個(gè)測(cè)量管路中介質(zhì)處于靜態(tài)(連續(xù)沖洗和反吹[6]方案等除外)。因此,閥門(mén)的選用無(wú)需考慮流體對(duì)閥芯的沖蝕,多數(shù)情況下閥門(mén)只是起到切斷和接通作用。

2.2 閥門(mén)種類(lèi)的設(shè)計(jì)選用

以取源一次閥的選用為例。如圖4所示,取源一次閥位于儀表測(cè)量管路的根部,其主要作用是接通和切斷儀表測(cè)量管路與工藝管道的聯(lián)系。由于一次閥與工藝介質(zhì)直接接觸,在整個(gè)測(cè)量管路中所處的工況最苛刻,位置也最為關(guān)鍵,一旦閥門(mén)出現(xiàn)故障,很難在線維修和更換。

在煉油裝置中多數(shù)工藝介質(zhì)中都難免會(huì)帶有少量固體顆粒,這些固體顆粒隨著時(shí)間的推移會(huì)慢慢在測(cè)量管路中聚集。由于儀表測(cè)量管路中的工藝介質(zhì)處于靜態(tài),除非采用沖洗或反吹方案,否則取源管嘴和一次閥中的固體顆粒很難被帶走。為了避免一次閥前出現(xiàn)堵塞以及密封面夾住固體顆粒造成閥門(mén)內(nèi)漏的情況,一般在低壓場(chǎng)合選用平行雙閘板閥作為儀表的取源一次閥,不推薦采用 T形截止閥,而在高壓場(chǎng)合宜采用 Y形截止閥。

球閥從結(jié)構(gòu)和功能特點(diǎn)上看,與閘閥和截止閥相比更適合作為儀表的取源一次閥,可在投資條件允許,產(chǎn)品和施工質(zhì)量能夠得到充分保證的情況下選用硬密封浮動(dòng)球閥。

2.3 放空及排凝閥

圖4所示的放空及排凝閥主要用于釋放測(cè)量管路中的壓力,同時(shí)將測(cè)量管路中的介質(zhì)排放到低壓系統(tǒng)(如:大氣、污油罐等)中去。

放空閥和排凝閥都位于測(cè)量管路的末端,相對(duì)而言工藝介質(zhì)溫度較低,工況也比較簡(jiǎn)單,但對(duì)閥門(mén)的密封性要求較高。

由于在測(cè)量管路放空和排凝時(shí)需要控制排放的速度,因此不宜采用閘閥,一般可根據(jù)實(shí)際情況選用浮動(dòng)球閥或T形截止閥。

2.4 儀表閥

儀表閥也稱為二次閥,如圖4所示,位于現(xiàn)場(chǎng)儀表的前端,用于接通和切斷儀表與測(cè)量管路的聯(lián)系。出于對(duì)儀表的保護(hù)考慮,在高溫、腐蝕性、黏稠以及含有固體顆粒等介質(zhì)的場(chǎng)合使用儀表閥之前都要采取降溫和隔離措施,因此儀表閥的工作條件在整個(gè)測(cè)量管路中是最好的。

儀表閥在使用時(shí)一般保持較小的開(kāi)度,以防止現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)儀表接液部件(如壓力表彈簧管)損壞時(shí),工藝介質(zhì)泄漏量過(guò)大的情況發(fā)生?？紤]到安裝和使用方便,儀表閥外形尺寸也應(yīng)盡量小,因此一般采用閥組。但對(duì)于極度危害的有毒性介質(zhì)的場(chǎng)合[4]等苛刻工況,在無(wú)法采取有效的隔離措施時(shí),應(yīng)選用螺栓連接閥蓋的截止閥。

2.5 止回閥

圖4所示的止回閥一般用于自動(dòng)沖灌隔離液系統(tǒng)或沖洗油系統(tǒng)中,防止系統(tǒng)壓力不足時(shí)工藝介質(zhì)的倒流。在異常工況下(如沖洗油壓力低于工藝介質(zhì)壓力時(shí)),止回閥是測(cè)量管路中隔離液或沖洗油與工藝介質(zhì)的分界線。

儀表測(cè)量管路現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)受很多外部條件的限制,在設(shè)計(jì)階段很難確定止回閥安裝在垂直管線上還是水平管線上。因此一般選擇帶彈簧返回機(jī)構(gòu)的立式升降式止回閥,這樣可以確保無(wú)論止回閥采用何種安裝方式都可以正常工作。

2.6 隔離及沖洗閥

圖4所示的隔離及沖洗閥用于接通和切斷隔離液和沖洗油系統(tǒng)與測(cè)量管路的聯(lián)系,同時(shí)還用來(lái)控制隔離液和沖洗油的壓力和流量?？紤]到閘閥不適合用于節(jié)流[7],因此一般情況下可根據(jù)隔離介質(zhì)特性選擇T形截止閥或針形閥。

3 結(jié)束語(yǔ)

由于各種閥門(mén)結(jié)構(gòu)形式的不同,其用途和適用場(chǎng)合也有所不同。因此在儀表測(cè)量管路閥門(mén)的設(shè)計(jì)選用中,應(yīng)根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)合選擇合適的閥門(mén)類(lèi)型,不但要保證儀表的測(cè)量精度,實(shí)現(xiàn)施工和安裝的規(guī)范化,節(jié)省基建投資,同時(shí)還應(yīng)充分考慮閥門(mén)的密封性、可靠性和使用壽命,確保裝置的長(zhǎng)周期安全生產(chǎn)。

[1] 國(guó)家和發(fā)展改革委員會(huì).SH/T 3064-2003石油化工鋼制通用閥門(mén)選用、檢驗(yàn)及驗(yàn)收[S].2003:2-3.

[2] 張德姜,趙 勇.石油化工工藝管道設(shè)計(jì)與安裝[M].北京:中國(guó)石化出版社,2002:162.

[3] American Petroleum Institute.ANSI/API SPECIFICATION 6D TWENTY-THIRD EDITION,APRIL 2008 Specification for Pipeline Valves[S].2008:45.

[4] 中華人民共和國(guó)建設(shè)部.GB 50316-2000工業(yè)金屬管道設(shè)計(jì)規(guī)范[S].2000.

[5] 陸培文,孫曉霞,楊炯良.閥門(mén)選用手冊(cè)[M].2版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2009:335.

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1007-7324(2010)06-0061-04

2010-06-08。

楊 剛(1972—),男,四川達(dá)縣人,1993年畢業(yè)于北京工商大學(xué)工業(yè)電氣自動(dòng)化專(zhuān)業(yè),工學(xué)學(xué)士,現(xiàn)在中國(guó)石化工程建設(shè)公司儀表室從事石油化工自動(dòng)化工程設(shè)計(jì)工作,任高級(jí)工程師。