高溫氧氣用金屬硬密封球閥的研究與設(shè)計(jì)
氧氣切斷閥是煤化工工藝裝置中的一類重要閥門，安裝于燃燒器供氧回路中，對預(yù)熱氧氣、氧氣蒸汽混合氣等進(jìn)行切斷控制。其工作溫度***可達(dá)到450℃，工作壓力***可達(dá)到5.5MPa，且氧氣為強(qiáng)助燃劑，泄漏等級要求為Ⅵ級。在如此苛刻的工況條件下，金屬硬密封球閥是其***的選擇。
1 高溫氧氣用金屬硬密封球閥的設(shè)計(jì)參數(shù)
以煤化工工藝裝置中DN200mm高溫氧氣用金屬硬密封球閥為例，其工藝參數(shù)如表1所示。
表1 球閥工藝參數(shù)
2 高溫氧氣用金屬硬密封球閥的材料選擇
高溫氧氣用金屬硬密封球閥的閥體和主要零部件材料的選擇很重要，要依據(jù)其工作溫度、工作壓力和介質(zhì)特性進(jìn)行選擇，同時(shí)還要考慮到材料的加工工藝性和經(jīng)濟(jì)性。由于氧氣介質(zhì)要求管路系統(tǒng)內(nèi)部不能產(chǎn)生氧化銹蝕，因此球（氧）閥材料一般采用鉻鎳不銹鋼等耐腐蝕鋼。煤氣化裝置中的氧氣用金屬硬密封球閥的閥體材料通常采用CF8M或F316，球體和閥座材料采用316，密封面噴涂硬質(zhì)合金，主要零部件材料采用316。高溫情況下閥體材料采用INCONEL600或625的鑄件或鍛件，球體和閥座材料采用INCONEL600或625，密封面噴涂硬質(zhì)合金，主要零部件材料采用INCONEL600或625。彈性元件（碟簧或彈簧）的材料采用INCONELX-750，保證在高溫狀況下提供足夠的預(yù)緊力。
3 高溫氧氣用金屬硬密封球閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
高溫氧氣用金屬硬密封球閥結(jié)構(gòu)如圖1所示。
1—主閥體2—副閥體3—下閥桿4—球體5—閥座
6—壓環(huán)7—彈簧8—加長閥頸9—上閥桿
10—填料函11—填料12—壓套13—壓板
14—支架15—氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)
圖1 高溫氧氣用金屬硬密封球閥結(jié)構(gòu)
3.1 閥座與球體的密封
根據(jù)ANSIB16.104標(biāo)準(zhǔn)，粉煤或是渣水介質(zhì)用的金屬硬密封球閥密封等級要求為Ⅴ級。由于氧氣是一種危險(xiǎn)介質(zhì)，任何的外漏和內(nèi)漏都可能造成燃燒、爆炸等嚴(yán)重后果，因此密封等級要求為Ⅵ級。球體與閥座間的密封，是控制氧閥內(nèi)漏的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，要求達(dá)到嚴(yán)格的Ⅵ級密封。球、座的加工精度要求非常高，圓度要求達(dá)到μm級，表面粗糙度參數(shù)Ra≤0.2μm。需要精密數(shù)控球面專用磨床加工，再經(jīng)球座對研，才能達(dá)到氧閥的嚴(yán)格要求。
3.2 閥桿低泄漏控制
通常金屬硬密封球閥閥桿處采用O形圈、PTFE填料或石墨盤根密封。對于高溫氧氣用金屬硬密封球閥，O形圈和PTFE填料不能滿足高溫工況要求，故不能使用。而石墨盤根通常含有雜質(zhì)，也不能應(yīng)用于氧氣介質(zhì)。因此高溫氧氣用金屬硬密封球閥采用石墨環(huán)密封，并采用碟形彈簧進(jìn)行動(dòng)態(tài)加載，實(shí)現(xiàn)對填料磨損時(shí)的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，以保證閥門閥桿處的密封。
3.3 加長閥頸設(shè)計(jì)
由于介質(zhì)為高溫氧氣，設(shè)計(jì)溫度達(dá)到450℃，氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)要遠(yuǎn)離高溫區(qū)域，因此設(shè)計(jì)加長閥頸，以保證氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的正常工作。
3.4 氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇
由于高溫氧氣用金屬硬密封球閥的球體和閥座密封面之間是金屬對金屬，沒有任何潤滑劑，如果氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出力矩不足，很容易出現(xiàn)球體與閥座之間卡滯的情況，影響閥門的正常工作，因此，氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇很重要。在正常氣源壓力下，氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)提供的輸出力矩為閥門在***壓差下計(jì)算力矩的1.5倍以上，因此完全能使閥門正常地、穩(wěn)定地啟閉。
4 高溫氧氣用金屬硬密封球閥的設(shè)計(jì)計(jì)算
4.1 閥體壁厚的計(jì)算
按照ASMEB16.34-2009，閥體最小壁厚采用強(qiáng)制性附錄Ⅵ的計(jì)算公式：
tm=0.0675d+2.79+C
式中 tm——閥體最小壁厚，mm；
d——閥體內(nèi)徑，mm；
C——腐蝕余量，mm。
當(dāng)閥體實(shí)際厚度t≥tm時(shí)，為合格。
4.2 密封比壓的計(jì)算
閥座密封結(jié)構(gòu)為雙向密封結(jié)構(gòu)，密封比壓q為
當(dāng)qMF＜q＜[q]時(shí)，密封比壓滿足要求。
式中q——實(shí)際工作比壓，MPa；
R——球體半徑，mm；
h——密封面在通道軸線方向的投影寬度，mm；
φ——球體與密封圈的接觸點(diǎn)與通道軸法向的夾角；
p——計(jì)算壓力，MPa；
DMW——閥座密封面外徑，mm；
DMN——閥座密封面內(nèi)徑，mm；
DJH——閥座外徑，mm；
qMF——保證密封所需的比壓（即密封比壓），MPa；
bM——密封面寬度，mm；
[q]——密封材料的許用比壓。
4.3 總摩擦力矩的計(jì)算
金屬硬密封球閥的扭矩值表現(xiàn)為兩端高中間低的曲線狀，開啟和關(guān)閉閥門時(shí)扭矩較大，而當(dāng)閥門處于關(guān)閉狀態(tài)承受***工作壓力時(shí)，開啟瞬間的扭矩應(yīng)為***，且氧閥密封面禁油，沒有任何潤滑，容易發(fā)生卡澀現(xiàn)象，所以選用的氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)在氣源壓力為0.4MPa時(shí)輸出力矩應(yīng)為計(jì)算值的1.5倍以上。
閥門扭矩MF為
式中 MF———總摩擦力矩，N·m；
MFZ——閥座對球體的摩擦力矩，N·m；
QQ1——進(jìn)口端閥座對球體的作用力，N；
QQ2——出口端閥座對球體的作用力，N；
fFZ——閥座摩擦系數(shù)；
r——閥座對球體的摩擦半徑平均值，mm；
φ——球體與密封圈的接觸點(diǎn)與通道軸法向的夾角；
MZC——軸承對閥桿的摩擦力矩，N·m；
fZC——軸承摩擦系數(shù)；
d——閥桿直徑，mm；
p——計(jì)算壓力，MPa；
MTL——填料對閥桿的摩擦力矩，N·m；
hT1——單圈填料與閥桿接觸的高度，mm；
zT——填料圈數(shù)；
fTL——填料與閥桿的摩擦系數(shù)；
MZJ——墊片對閥桿的摩擦力矩，N·m；
fDP——墊片摩擦系數(shù)；
DPN——墊片內(nèi)徑，mm；
DPW——墊片外徑，mm。
5 生產(chǎn)制造及試驗(yàn)
高溫氧氣用金屬硬密封球閥生產(chǎn)制造過程的控制很重要，有別于其它介質(zhì)用金屬硬密封球閥的生產(chǎn)要求，它的要求更為嚴(yán)格。高溫氧氣用金屬硬密封球閥裝配完成以后，要按照API598規(guī)范進(jìn)行試驗(yàn)，達(dá)到要求方為合格。
5.1 閥體及零件的加工
（1）氧氣是一種助燃劑，閥體內(nèi)腔應(yīng)盡量圓滑過渡，避免尖角和銳角，避免形成死腔，防止介質(zhì)在腔內(nèi)聚集。
（2）針對高溫氧氣用金屬硬密封球閥，需要專門制定加工工藝，從而確保閥體及零件的尺寸、公差及表面粗糙度滿足圖紙精度要求。
5.2 閥體及零件的檢驗(yàn)
（1）氧氣一旦泄漏，就可能引起爆炸、起火等重大事故，直接危及到整個(gè)裝置及操作人員的安全。因此，閥體需要嚴(yán)格檢驗(yàn)，特別是鑄件，有嚴(yán)格的檢查驗(yàn)收程序，一旦發(fā)現(xiàn)不合格品要及時(shí)處理。
（2）針對高溫氧氣用金屬硬密封球閥，采取更加嚴(yán)密的質(zhì)量控制程序，從而確保閥體及零件的尺寸、公差和表面粗糙度滿足圖紙精度要求。
5.3 零件清洗
（1）氧閥內(nèi)腔不允許積存有固體雜質(zhì)，以避免在介質(zhì)流動(dòng)時(shí)因碰撞產(chǎn)生火花。氧閥凡與氧接觸的部位要嚴(yán)格脫油脫脂，脫油脫脂后用不含油的干空氣或氮?dú)獯祪簟τ诳沙暡ㄇ逑吹牧慵凑涨逑匆?guī)程對零件進(jìn)行清洗。
（2）所有零件清洗干燥后，為避免二次污染，需用干凈的聚乙烯薄膜進(jìn)行袋裝、包扎保護(hù)。
5.4 整機(jī)裝配
（1）整機(jī)裝配過程需要在凈化房內(nèi)完成。
（2）氧閥嚴(yán)禁閥門內(nèi)部有油污，在裝配及移動(dòng)過程中要避免油污進(jìn)入。
（3）每一臺氧閥的裝配都要有詳細(xì)的裝配記錄，做到出了問題有據(jù)可查，責(zé)任落實(shí)到人。
（4）對氧閥裝配人員實(shí)行專人專崗，并定期進(jìn)行崗位培訓(xùn)，確保閥門的裝配質(zhì)量。
5.5 整機(jī)試驗(yàn)
試驗(yàn)項(xiàng)目主要包括殼體試驗(yàn)、閥桿密封試驗(yàn)、閥座密封試驗(yàn)、開關(guān)扭矩檢測。針對高壓氧氣用金屬硬密封球閥的每一項(xiàng)試驗(yàn)，要制定詳細(xì)的試驗(yàn)程序，要求試驗(yàn)人員嚴(yán)格按照試驗(yàn)程序進(jìn)行試驗(yàn)。
5.6 整機(jī)入庫
（1）整機(jī)試驗(yàn)通過后，在入庫前需要對閥門的外表進(jìn)行擦洗和干燥。
（2）用干凈的聚乙烯薄膜進(jìn)行袋裝、包扎密封，避免雜質(zhì)進(jìn)入。
（3）檢驗(yàn)員要按檢驗(yàn)規(guī)程對閥門進(jìn)行檢驗(yàn)。
