1、概述

　　為了保護(hù)生態(tài)環(huán)境，減少石油化工的污染，提取更加清潔的汽油燃料，我國引進(jìn)美國康菲公司的汽油催化吸附脫硫技術(shù)，由中國石化工程建設(shè)總公司SEI 設(shè)計(jì)的汽油催化吸附脫硫( S-zorb) 裝置，生產(chǎn)高標(biāo)準(zhǔn)汽油，減少二氧化硫等有毒有害氣體的排放。S- zorb 裝置中，介質(zhì)是高壓氫氣吹送的高硬度的固體催化劑氧化鋁顆粒，介質(zhì)溫度為440℃，壓力為2.8MPa，閥門開關(guān)頻繁，約20min 開關(guān)一次。該系統(tǒng)的嚴(yán)苛工況中，以前閥門大都采用進(jìn)口品牌，部分球閥在使用二三個(gè)月，就出現(xiàn)了動作卡滯、密封面劃傷或沖蝕、密封不嚴(yán)、閥桿變形、球體或閥座被沖蝕甚至穿透、腔體沖蝕等一系列威脅裝置安全的嚴(yán)重問題。同時(shí)進(jìn)口閥門采購成本高、備件供貨周期長、維修周期長、缺少專業(yè)技術(shù)支持等因素，影響裝置長周期的安全運(yùn)行。

2、分析

　　國外S - zorb 金屬密封球閥主要有MOGAS 公司( 圖1 - 美國) 和GOSCO 公司( 圖2 - 加拿大) C系列S - zore 產(chǎn)品。

圖1 美國MOGAS 公司C 系列S - zore 金屬密封球閥

　　S - zorb 裝置金屬密封球閥結(jié)構(gòu)分析。

　　(1) 閥座靜密封采用金屬面配對研磨密封，單側(cè)蝶形彈簧直接加載，在介質(zhì)作用下，彈簧無保護(hù)，該側(cè)因?yàn)楣腆w介質(zhì)進(jìn)入而影響靜密封。向介質(zhì)壓力時(shí)，容易造成閥體與閥座的松動或間隙過大，粉塵容易進(jìn)入配合間隙，最終導(dǎo)致閥門泄漏。

　　(2) 閥座密封面沒有刮刀結(jié)構(gòu)，無法進(jìn)行刮削清潔，介質(zhì)粘結(jié)閥門內(nèi)件，造成拉傷而泄漏。啟閉力矩變大，動作卡滯，影響閥門動作性能。

圖2 加拿大GOSCO 公司S - zore 金屬密封球閥

　　(3) 閥桿未得到有效保護(hù)，微小的固體顆粒在介質(zhì)壓力的作用下非常容易進(jìn)入閥桿與閥體的配合間隙，造成閥桿損傷及卡塞。

3、改進(jìn)

　　S - zorb 裝置閥門使用的催化劑金屬密封缺口球體球閥如圖3 所示。針對現(xiàn)有閥門實(shí)際存在的弊端，采取相應(yīng)的的措施，如缺口球體、非對稱閥座等，尤其適用該裝置中介質(zhì)為高硬度條狀氧化鋁固體催化劑、氣固兩相流高磨損場合，有效解決了閥門開關(guān)卡滯，密封面泄漏，使用壽命短的問題，提高了閥門的使用性能。

圖3 金屬密封缺口球體球閥

　　閥體結(jié)構(gòu)采用兩段式鍛造結(jié)構(gòu)，具有更好的致密性，消除鑄造閥體固有的縮孔、疏松缺陷，排除了鑄件存在的氣孔、裂紋、疏松和夾雜等缺陷，具有更高的機(jī)械性能。

　　使用有限元分析軟件ANSYS 進(jìn)行強(qiáng)度校核。鑒于閥體完全對稱，取閥體一半進(jìn)行研究。主、副閥體施加螺柱連接約束，同時(shí)添加相應(yīng)的對稱約束，在閥體內(nèi)腔施加壓力( 10MPa) ，模型網(wǎng)格化，整體校核閥體。受力情況如圖4 所示，最大受力為37. 87MPa ，小于ASTM A182 F316H 的許用應(yīng)力120MPa，完全滿足要求。

　　閥門采用獨(dú)特的非對稱缺口球體技術(shù)來降低操作時(shí)催化劑顆粒的流速，以減小對球體和閥座的沖刷磨損。通常情況下，在球閥微開啟和即將關(guān)閉區(qū)域形成一個(gè)近似橢圓的流通面積，流體會因節(jié)流形成高速度，在高壓時(shí)甚至達(dá)超音速，非對稱缺口球體設(shè)計(jì)將流通面積擴(kuò)大數(shù)倍以上。通過擴(kuò)散流體，可有效降低流速，顯著降低流體對二者的沖擊損壞。閥門球體的球口進(jìn)行修磨處理，以減小球口的應(yīng)力集中和沖蝕磨損。

　　閥門的球體和閥座采用超音速噴涂高硬度碳化鎢( HVOF) ，表面硬化硬度為64 ～68HRC，結(jié)合強(qiáng)度不小于基體的屈服強(qiáng)度(68.9MPa) ，涂層的厚度不小于0.8mm，充分保證內(nèi)件的高溫機(jī)械性能( 強(qiáng)度、硬度、疲勞及剛性等) 和化學(xué)穩(wěn)定性( 高溫腐蝕性和沖蝕等) ，提高其耐磨性和沖擊性。

　　使用有限元分析軟件ANSYS 進(jìn)行強(qiáng)度校核。在球體兩側(cè)密封面區(qū)域添加對稱約束，在球體密封面兩側(cè)分別施加10.0MPa 的壓力。整體校核球體受力情況如圖5 所示，最大受力為96.97MPa，小于ASTM A182 F316H 的許用應(yīng)力120MPa，完全滿足要求。

圖4 閥體有限元強(qiáng)度分析

圖5 球體有限元強(qiáng)度分析

　　在球閥的初啟和即將關(guān)閉時(shí)，具有高速度和磨損性的流體會造成球體和閥座的損壞。通過對流體動力學(xué)的分析，改變和調(diào)整了流體在開關(guān)過程中通過流道口時(shí)的流體形態(tài)，相同開度下將流通面積擴(kuò)大至數(shù)倍( 圖6) ，通過擴(kuò)散流體，降低流速，明顯降低對球體和閥座的沖刷，保護(hù)了耐磨球閥內(nèi)件。同時(shí)，通過流體自動降低球體前后兩端的受力，相互抵消，有效降低閥門開啟時(shí)的力矩15% ～40%，提高閥門的運(yùn)行穩(wěn)定性，延長閥門使用壽命。在設(shè)計(jì)缺口球體時(shí)，必須先采用三維仿真軟件模擬設(shè)計(jì)，再對其進(jìn)行ANSYS FLOTRAN 流體流場分析( 圖7) 。

(a) 缺口球體(b) 普通球體

圖6 缺口球體與普通球體的流體動力學(xué)分析對比

(a) 缺口球體(b) 普通球體

圖7 缺口球體球閥與普通球體球閥流通面積比較

閥座采用非對稱結(jié)構(gòu)，主密封為與副閥體一體式閥座帶刮刀結(jié)構(gòu)，在消除了靜密封泄漏點(diǎn)的同時(shí)，亦有較好加工性能和研磨便利性，還保證閥門開關(guān)過程中刮削掉缺口球體表面粘結(jié)的雜質(zhì)，確保閥門開關(guān)自如( 圖8) 。副密封為與主閥體分體式閥座帶刮刀結(jié)構(gòu)，碟形彈簧加石墨密封圈、防塵圈的形式，解決了粉塵進(jìn)入密封面引起泄漏以及卡阻的問題( 圖9) 。刮刀結(jié)構(gòu)力清除球體和閥座間的催化劑顆粒沉積，保障閥門穩(wěn)定的動作性能。閥座與球體配套研磨，研磨后采用煤油滲透的檢驗(yàn)。彈簧腔采用封閉式結(jié)構(gòu)，彈簧前后設(shè)置防細(xì)微顆粒石墨團(tuán)，在介質(zhì)壓力和彈簧力的作用下壓縮石墨圈，實(shí)現(xiàn)楔式密封，防止催化劑細(xì)微顆粒進(jìn)入彈簧腔。采用彈性加載結(jié)構(gòu)，在正常關(guān)閉情況下確保球體和閥座密封面始終保持密封，在高溫下也能有效補(bǔ)償閥門內(nèi)件的受熱膨脹。

圖8 副閥體一體式閥座

圖9 主閥體分體式閥座

　　閥桿采用高強(qiáng)度高溫沉淀硬化不銹鋼ASTM A638 660，抗拉強(qiáng)度為895MPa，有效保證閥桿能承受閥門開關(guān)力矩。閥桿與球體采用新式的導(dǎo)向插入式定位設(shè)計(jì)。閥桿的下端保留一段圓柱狀的凸起，該凸起直接插入閥門球體上的不開孔中，并且采用大間隙配合，保證閥桿在球體中的自由轉(zhuǎn)動。另一方面，導(dǎo)向插入結(jié)構(gòu)限制了閥桿和球體相對線性位移，防止閥桿頂球體，增加不必要的扭矩，防止閥門動作不暢。

　　在閥桿凸肩和填料函之間設(shè)彈性柔性石墨和高硬度硬質(zhì)合金減摩墊。減摩墊拋光處理，在介質(zhì)壓力作用下，硬質(zhì)合金減摩墊既可以起到初級密封的作用，防止介質(zhì)外漏，有效阻止催化劑進(jìn)入填料函，避免閥桿卡塞，又可以降低閥桿和填料函之間的摩擦力矩，改善閥門動作性能。

　　使用有限元分析軟件ANSYS 進(jìn)行的強(qiáng)度校核，在閥桿底端添加固定約束，在閥桿頂端施加閥門的啟閉力矩2555N·m。整體校核閥桿受力情況如圖10 所示，最大受力為64.86MPa ，小于ASTMA838 660 的許用應(yīng)力250MPa，完全滿足要求。

圖10 閥桿有限元強(qiáng)度分析

4、結(jié)語

　　通過模擬工況試驗(yàn)及實(shí)際工況的運(yùn)行和使用證明，汽油催化吸附脫硫裝置用金屬密封球閥密封性能良好，啟閉順暢，達(dá)到了S- zorb 裝置催化劑工況的技術(shù)要求和正常使用的密封可靠性。該產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)化，減少了對進(jìn)口設(shè)備的依賴，降低了設(shè)備采購成本和維護(hù)費(fèi)用，提高了裝置的使用周期和運(yùn)行效率。