加氫裝置用高壓閥門使用及要求

1 概述

高壓加氫工藝是石油深加工的一個重要手段，它不僅能提高單位原油的輕油收回率。而且能提高燃料油的質量，從而提高煉油廠的整體效益。高壓加氫裝置還能為石油化工裝置提供優質的原料，也是油品脫硫的理想裝置。我國從 90 年代開始了高壓加氫裝置的建設，預計今后的幾年中，隨著我國煉外油量的逐年增多，高壓加氫裝置的建設仍將是石化行業的一大熱點，各大石化企業也都想藉此提高其煉油的水平和能力，以迎接加入 WTO 的挑戰。

2 工況條件

高壓加氫裝置的介質環境有 2 個突出的特點，即高壓和臨氫（并伴隨硫化氫）操作。

高壓操作不僅僅是因為其操作壓力高（一般為 14-20 MPa），而且還在于其介質為易燃易爆的高壓氣體（氫氣或油氣+氫氣）。高壓氣體儲存了較大的壓力能．一旦其儲輸設備（包括管道閥門）損壞，引起的事故將是災難性的。

臨氫并伴隨硫化氫操作。表明了對儲輸設備材料的苛刻要求。氫氣是一種能滲透到金屬材料內部并在常溫或高溫下引起材料變性（惡化）的介質，常溫下能引起金屬材料的脆化和變形等，高溫下能導致金屬材料內部和外部脫碳。硫化氫對金屬材料的腐蝕也是一個十分棘手的問題，常溫下它能引起許多金屬材料的應力腐蝕開裂，高溫下它能引起金屬材料的快速均勻腐蝕。所有的這些特點都對高壓加氫閥門的材料、結構設計和強度設計等提出了嚴格的要求。

3 需求情況

高壓加氫裝置中的，既有臨氫條件，又有非臨氫條件，既有高壓條件，又有非高壓條件。本文僅討論高壓臨氫條件下應用的閥門，這類閥門雖然數量不多，但其價格卻占有較大的比例。此類閥門有閘閥、截止閥、止回閥、球閻和旋塞閥，壓力等級為 ASME 的 CL900~2500，溫度為常溫至 400℃，主體材料有 ASTMA105、A182—F11/F22/F321、A216—WCB、A217—WC6／WC9、A351—CF8C，閥門直徑為 DN15-400 mm。這些閥門的功能與普通閥門相同，但國內目前尚不具備成套供應的能力，主要原因在于閥門制造廠與用戶（尤其是工程設計部門）溝通聯系不夠，不了解閥門的使用條件和要求，缺少一套與介質條件相適應的技術文件、模具和圖紙等，而且缺步工業化批量生產的經驗。

開發高壓加氫裝置中的閥門，不僅能降低閥門價格。而且可減少供貨周期，方便補充訂貨，同時又能推動閥門行業的發展。事實上，我國目前一些閥門制造廠已具備生產高壓加氫閥門的能力和條件，而且在加氫精制裝置（操作壓力 8~10 MPa）上已有成功的應用。

性能良好的閥門，其設計、制造、檢查試驗及質量控制等各個方面和各個環節都做的比較好。本文以其中的幾個主要問題（包括閥門的內漏、外潺、強度設計、材料、檢查試驗及質量控制），結合高壓加氡裝置的介質條件進行探討。

4 內漏和外蔣的控制

閥門內漏和外漏控制的好壞是反映閥門品質的一個重要參數，制造廠均采取各種措施以盡量減少閥門的內漏和外漏。油品和氫氣的外漏和內漏不僅會污染環境，還易引起火災或爆炸。閥門的內漏主要發生在閘板處，外漏主要發生在閥桿填料和閥蓋墊片處，故要獲得良好的密封性能就要從這 3 處著手。

4.1 填料密封外漏

對 DN ≥ 50mm 的閘閥和截止閥，在閥桿密封處采用柔性石墨環和柔性石墨編織填料是國外翻造廠的普遍做法。其中填料的最上圈和最下圈采用柔性石墨編織環，以利用其強度較高（與模壓石墨環相比）的特點阻止石墨被擠入閥腔或閻外，中間則采用模壓石墨環（有時也在中間適當的位置增設編織環）。由于柔性石墨的流動性好，有減磨性，同時石墨還具有良好的物理和化學穩定性，因此用它作為填料既可獲得良好的密封，又可減少對閥桿的磨損。對于填料函尺寸較小的球閥、旋塞閥和小口徑的閘閥和截止閥，則僅用柔性石墨編織填料即可。

填料在裝填過程中進行預壓縮也是保證良好密封（尤其是長期良好密封）的措旋之一。國內的閥門在填料裝填過程中大多數僅限于壓實填料，故其密封性隨應用時間增長而變差。國外某些閻門產品在填料裝填過程中采用了 28 MPa 的預壓力，且設計了專用的預壓縮工具，因此它能維持較長時間的良好密封。當然，填料的預壓力太大，將增加對閥桿的磨損，增加閥門的開啟力，因此此時應在填料選擇和閥桿表面處理上進行改進。采用以柔性石墨環為主的填料可減少閥桿的磨損，同時也可降低閥門的開啟扭矩。

還有一些閥門在填料壓蓋處采用了“活載”結構。即在填料壓蓋的螺栓上增設碟簧，使填料壓蓋始終作用于填料上較大的壓力，從而可防止因壓蓋螵栓松弛或填料松弛而造成的外漏。

4.2 墊片密封外漏

對 DN ≥ 50mm 的閘閥、截止閥和止回閥，可采用壓力密封閥蓋。而對于球閥、旋塞閥（多為下閥蓋）和 DN ≤ 40mm 的閘闊、截止閥和止回閥，一般采用法蘭連接閥蓋。壓力密封闊蓋的密封有 2 處，其一為閾蓋與環墊片（圖 1）的接觸處，其二為環墊片與閥體的接觸處。國外的一些閥門產品，將環墊片與閥蓋的接觸面設計成變角度圓弧過渡面，使它與閥蓋的密封為線密封，從而顯著提高了其嚴密性，但它增加了環墊片的加工難度。還有將環墊片表面及相應的閥體密封面鍍上一層銀，因為銀的塑性較好，容易填充密封面上的微觀孔隙，因此大大提高了閥蓋墊片處的密封性能。

圖 1 壓力密封閥蓋的環墊片

對于法蘭連接閥蓋結構，大多數制造商采用了纏繞式墊片，因為纏繞式墊片彈性好，回彈率高，在保證穩定性的情況下更容易保證密封。與纏繞式墊片相配的閥蓋密封采用了箱式結構，即將墊片置于閥蓋與閥體相接的特制槽內，從而保證了纏繞式墊片的穩定性（即不會因較大的密封比壓而使墊片失穩），同時又增加了介質泄漏的阻力。事實證明，這樣的密封結構比較好。

4.3內漏

①閘閥

國內外各制造廠的閘板結構設計上無太大的差別，一般 DN ≤ 40mm 的閘閥采用楔形整體閘板，而 DN ≥ 50mm 的閘閥則采撓性楔形閘板。只要密封面加工精度達到要求，這種結構可以滿足初期密封要求。但使用者希望閥門能夠保持長久的良好密封。一般情況下，初期密封容易做到，而要做到長期密封良好則是一件不容易的事情。這里給出 2 個改進倒子供參考。其一是努力提高閘板導軌的精度，使它與閘板保持較小的配合間隙，以減少閘板與閥座的不均勻磨損，從而保證較長的密封壽命。導軌一般是與閥體整體鑄造的，而且不容易進行機加工，故與閘板的配合間隙較大，建議制造廠給予這方面的關注。其二是考慮閘板和閥座下部的腐蝕。因為當閥門處于半開半關的位置時，會形成高速的介質流，它將對介質流經的區域產生嚴重的沖刷，又由于硫化氫與金屬的腐蝕產物附著力很低，極易被高速介質沖走，從而加速了金屬的腐蝕，即形成沖刷腐蝕。防止沖刷腐蝕的措施可從選擇良好的材料入手，即在相應的部位上堆焊合適的硬質合金材料。一些制造廠除了在密封面上堆焊硬質合金外，還在閘板和閥座的下部一定范圍內也堆焊了硬質合金，以防止非密封面的沖刷腐蝕，這樣做雖與閥門的密封性關系不大，但對閥門整體來說有益。

②截止閥

首先要保證閥瓣與閥座的加工精度以獲得一個良好的初期密封。在防沖刷腐蝕方面，國外某制造商采用了階梯式閥瓣結構（圖 2），即在閥門開啟或關閉的過程中，閥瓣上的非密封臺階首先形成較小的流道，以承受沖刷腐蝕，而閥瓣和閥座的密封面則不再直接承受沖刷腐蝕，或緩解了其沖刷腐蝕的程度。

1.閥座；2.閥瓣

圖 2 截止閥階梯式閥瓣

③球閥

應采用偏心或其他無摩擦的球體結構及金屬對金屬的密封形式。這是因為該結構密封可靠性高，火災安全性好，無摩擦，延長了閥門的有效壽命。

④旋塞閥

國外一般采用倒錐形平衡式閥芯（即旋塞）結構（圖 3）。一般 CL ≤ 300 等級采用機械平衡式結構，CL ≥ 600 等級采用壓力平衡式結構，既能保證良好的密封，又可減少密封面金屬的磨損。國外某制造廠則在此基礎上對旋塞進行了噴塑處理，從而節省了定期注密封劑的維護工作量。

1.閥體；2.旋塞

圖 3 倒錐形壓力平衡式旋塞閥

5 閥門強度設計

閥門的承壓部件都應進行強度分析和強度設計，這些部件主要包括閥體、閥蓋、閘板和閥蓋螺栓等。對截止閥來說，有時（根據結構不同）尚須對閥座局部進行強度枝核。而作為非承壓部件的閥桿也是必須進行強度設計的一個重要部件。所謂的強度設計應包括強度和剛度 2 部分。

國外一些主要的閥門規范如 ANSIB16.34 和 API600 都給出了閥門主要零部件的最小壁厚（直徑），國內的一些制造廠都直接采用（或略大于）這些規范值作為設計尺寸，并且不再進行強度設計。這樣做是不嚴格的，因為①閥門的內件結構不同，閥上腔的結構尺寸不同，因此其計算壁厚也不同。閥門的外觀結構尤其是外形突變處的處理不同，其計算應力值尤其是應力集中的水平也不同，最終也可能導致計算壁厚不同。②大多數閥體為鑄件，而冶煉條件較差，原材料來源復雜的閥門廠，其鑄件材料的性能差別較大。鑄件材料的性能又與其本身的鑄造缺陷（如偏析、枝晶組織、夾雜、氣孔、疏松和裂紋等）有關，而且起伏變化較大，從而造成強度計算的基礎數據（如許用應用）的差異較大。③不同的應用環境，其腐蝕情況不同，應考慮的腐蝕裕量不同。由于這些因素的影響，對于高壓臨氫閥門來說，對其有關的零部件進行強度和／或剛度計算就顯得十分必要，因為稍有差錯，可能會帶來嚴重的后果。

目前國內大多數閥門廠均采用數學分析法進行閥門的強度和／或剛度計算。這種方法既費力又費時，計算精度也比較差，尤其是對于零部件的形狀突變處，它不能精確地求出其應力水平。而國外的大多數閥門廠都采用了有限元分析法，它既快又精確。對于高壓且要求苛刻的閥門來說，采用有限元法進行零部件的強度和／或剛度分析是必要的。

6 材料

高壓加氫裝置的操作條件不僅對材料的可靠性有較高的要求，而且其介質（如氫氣和硫化氫）本身對材料性質也有較高的要求，即介質對材料本身存在的缺陷比較敏感。如果材料中有非金屬夾雜、夾渣、氣孔、裂紋等不連續缺陷，容易導致氫氣的積聚，常溫下會因其形成的局部高壓而引起氫變形，甚至誘發微裂紋，同時也會使材料脆性惡化（氫脆）。高溫下，這些缺陷更利于氫致內部脫碳的進行，從而加快材料氫腐蝕破裂的進程。而硫化氫介質則對材料的外部不連續缺陷比較敏感，尤其是在濕硫化氫環境下，外部的不連續缺陷往往成為應力腐蝕開裂的誘因。因此，減少或限翻閥門承壓部件中的缺陷是保證其可靠性，延長其使用壽命的關鍵因素之一。

閥門承壓部件的制造方法有鑄造和鍛造 2 種。鍛造件不存在氣孔、疏松、大尺寸圓形夾雜、柱狀組織和枝晶組織等缺陷，而且金屬致密，綜合機械性能好，可靠性高，因此鍛造是嗣造高壓加氫阿門承壓部件的理想方法。但考慮到大多數承壓部件的外形比較復雜，而且它們中有很多超過了一般模鍛的尺寸，故國內外大多數閥門廠對于 DN＞50 mm 閥門的主要承壓部件仍采用鑄件。為了保證鑄件質量，應從冶煉、鑄造工藝和焊補 3 個主要方面進行控嗣。冶煉對材料品質的影響是最基礎的影響因素。不同的冶煉方法，得到的材料品質差別也比較大。目前國內閥門廠普遍采用電爐冶煉，而國外的大多數閥門廠則采用 VOD 或 AOD 冶煉方法。VOD／AOD 與電爐冶煉相比，其有益合金元素燒損少，材料成分更容易接近理想狀態，而且脫氣性好，有害雜質元素少，故獲得的材料品質也就比較高。鑄造工藝是影響材料性能的關鍵因素，它涉及到了鑄膜材料選擇、木模外模型涉及、澆鑄溫度控制和澆鑄方法選擇等方面。總之，有利于改善鑄件質量的鑄造工藝如精密鑄造、壓力鑄造和真空澆鑄等應作為閥門制造廠今后的發展方向。

焊樸是處理鑄件缺陷的一種補救措施。大多數鑄件都是需要焊補修理的，如果缺陷超標就給予報廢，將會增加閥門的生產成本。但每個閥門的焊樸數量、焊補面積和焊樸次數等應有限制，因為焊補區的金屬不同于鑄造金屬，焊補數量越多，焊補面積越大，造成鑄造金屬的不均勻性越嚴重，從而導致材料的綜合性能下降。每次焊補都相當于給鑄件一次加熱，而多次對鑄件加熱會給它帶來一系列不利的影響，故閥門的焊補次數也應有所限制。ASTM 規范中對鑄造材料的焊補提出了一定的要求，但其要求偏低，國外大多效閥門制造商的鑄件焊補控制水平均比 ASTM 規定的嚴格。實際上，鑄件焊補的控制還反映了鑄件材料的質量與生產成本之間的平衡關系，因此關鍵還是要提高鑄件的鑄造質量，盡量減少鑄造缺陷。

7 檢查與試驗

閥門的強度（水壓）試驗、密封試驗及必要的無損探傷是衡量閥門是否合格的必要條件，但井不是衡量一個閥門好壞的充分條件，至少對高壓加氫閥門來說，它們尚不能完全反映一個閥門的綜合品質。以閥門的密封為例，一般情況下，只要保證密封件的機加工精度，就容易通過冷態下的工廠密封試驗，但它并不代表閥門在長期使用（尤其是在高溫、高壓工作工況）條件下也能保持良好的密封。一旦閥門部件出現磨損、腐蝕、應力松弛、變形和材料變性等問題。將會影響到閥門的密封性能，嚴重時會使密封失效。而部件金屬組織的穩定性和均勻性、部件結構造成的局部應力水平等，都會從某種程度上影響到材料的腐蝕、應力松弛、變形和變性等問題。而材料的這些問題都是無損探傷和冷態下的壓力試驗無法檢查的。

對于一般介質上應用的中低壓閥門來說，上述的問題可能不存在或者不突出，而對高壓臨氫條件下應用的閥門，這些問題將是不可忽略的。因此，對高壓臨氫用閥門。應對其進行全方位的檢查試驗。由于閥門承壓零部件的材料品質（尤其是鑄件材料）對閥門的使用壽命影響較大。故就承壓鑄件的檢查試驗作進一步討論。

鑄件材料的品質主要取決于其生產過程（如冶煉工藝、制造工藝等），而對其產品進行的各種檢查試驗僅僅是對其品質考核的一種手段，它并不能改變材料的品質。因此，閥門零部件在開始工業生產前進行系統的、科學的工藝評定就顯得尤為重要。而工藝評定中的質量定位又直接決定了材料（產品）的品質。結臺高壓加氫裝置的介質特點，在此提出其主要承壓零部件在工業生產前應進行的工藝評定項目。

①外觀檢查 應按 MSSSP-55 所列項目逐項檢查。

②化學成分分析 包括爐前分析和產品分析，尤其應關注有害雜質元素（如硫、磷、砷、銻、氫和氨等）的分析。化學成分分析應按相應的 ASTM 標準進行。

③機械性能試驗 包括拉伸試驗（同時測試出拉伸強度、屈服強度、延伸率和截面收縮率，并進行斷口分析）、彎曲試驗、沖擊試驗和硬度檢驗等。機械性能試驗應按相應的 ASTM 標準進行。

④宏觀組織檢驗 包括氣孔、裂紋、疏松、央渣、大尺寸非金屬夾雜物、硫磷偏析等缺陷的檢驗。檢驗按 ASTME381 等標準進行。

⑤微觀組織檢查 包括偏析、條（桂）狀組織、枝晶組織、晶粒度、小尺寸非金屬夾雜物等缺陷的檢驗。對奧氏體材料，還應包括鐵索體含量的測定。檢驗按 ASTME38l/E45/E112 等標準進行。

⑥無損檢查 包括 RT、UT、MT、PT 等檢查。并給出適宜的合格指標和合格率控制指標。無損檢查宜分別按 MSSSP—54、ASTMA388、ASTMAA275、ASTMB165（Practice B）標準經行。

⑦晶問腐蝕試驗 僅對奧氏體不銹鋼材料才有此要求。試按 ASTME262（Practice E）標準進行。

⑧焊接性能試驗 包括拉伸、彎曲、沖擊、硬度和無損探傷檢驗。

⑨加氫裝置用高壓閥門使用及要求閥體爆破試驗 液體爆破試驗按 ANSTB31.2 標準進行。在滿足一定控制指標的情況下，通過工藝評定而確定的工藝參數才能作為生產參數，并在工業生產中嚴格執行，才能獲得滿足高壓臨氫應用條件的高品質閥門。

8 質量控制

國產閥門的質量問題更多的是出現在管理上。因為中國的眾多制造業者在產品制造的每個工序上并不是都有一個具體的、詳盡的而且切實可行的作業規程，即使有了這樣一個規程，也不能保證每個工作人員都不折不扣的接規程作業。正因為如此，才導致了許多國產產品的質量不如國外產品。目前，國內大多數閥門廠，都取得了 ISO9000 的質量認證，它從某種程度上強化了閥門生產過程的質量管理。但是，還要重視技術文件的建立，因為產品的先進與否主要取決于技術文件的先進性。

9 結語

影響閥門質量的因素較多，要生產出高品質的閥門，必須在各個方面都要做好。時值信息時代，閥門制造廠也應走出去，多與外界進行交流，與用戶（包括工程設計部門）進行交流。了解產品需要，了解閥門的使用介質工況，只有這樣，才能生產出適合的產品，才能贏得市場。與國外閥門生產商交流。可以了解先進技術和新產品，并用于改進我們的產品。