关于特大型空分设备配套阀门的研制

1、关于特大型空分设备配套阀门的研制内容来源自网络冶金、化工及煤化工等行业的快速发展，在要求空分设备向更大型化方向发展的同时，也对配套设备的技术发展提出了新的要求。随着国内空分设备规模不断大型化，对配套的调节阀也不断提出新的技术要求：阀门口径引言冶金、化工及煤化工等行业的快速发展，在要求空分设备向更大型化方向发展的同时，也对配套设备的技术发展提出了新的要求。随着国内空分设备规模不断大型化，对配套的调节阀也不断提出新的技术要求：阀门口径从中小口径向大口径发展；同时，由于大型空分设备内压缩流程的发展，低温阀门及氧管道用阀门由低压向中高压发展，对密封性能的要求也在逐渐提高。目前，大型空分设备关键位置的阀

2、门大都依赖进口，进口阀门价格偏高，是国产大型空分设备参与国际市场竞争的制约条件之一。可见，国内企业开发研制出适合空分设备新工艺流程的阀门已迫在眉睫。杭州杭氧工装泵阀有限公司（以下简称：杭氧工装）作为国内低温阀门的专业生产厂家，根据自身的生产设备制造能力和原有产品的基础，研制了大型空分设备的部分配套阀门，为大型空分设备配套阀门国产化打下了基础。三偏心金属硬密封蝶阀三偏心蝶阀是蝶阀史上一次较大的技术革新，以其独特的结构和优越的性能被广泛应用在石油化工等工艺设备中。目前，三偏心蝶阀在国内大型空分设备上的使用还是处于起步阶段，并且大都依赖进口。杭氧工装经过几年的努力，开发了三偏心硬密封蝶阀，其主要技术

3、参数：口径DN100DN600mm、压力PN6PN63MPa、温度-196200。三偏心蝶阀的结构及原理蝶阀的三偏心结构密封副形式为圆锥斜切锥面形。其蝶板为圆锥斜切而得，结构设计原理如图1所示。圆锥半锥角为，3个偏心分别为：蝶板回心面偏心a、蝶板回转中心相对于流道中心的径向偏心e以及圆锥轴线相对于流道中心线的角度偏心。通常蝶阀为单偏心或双偏心结构，单偏心结构是设计时将对称轴中的阀门轴中心线偏离密封面中心线；双偏心结构是设计时将单偏心结构中的阀门轴中心线再偏离阀体中心线。三偏心是在双偏心的基础上增加了第三个偏心斜锥。这一独特的偏心组合不仅利用了原有的凸轮效应，而且由于蝶板密封面转动时其运动轨迹的

4、切线与阀座密封面形成一定的角度，使得蝶阀启闭时蝶板密封面相对阀座密封面渐出脱离和渐入压紧，从而完全消除了90的密封效果；阀门的接触角大于锁定锥度范围，从几何形状上排除了卡死的可能性，从而确保阀门开关所需扭矩在阀门使用年限内不会产生很大的变化。600)this.style.width=600px;图1三偏心蝶阀蝶板结构设计原理图空分设备配套用三偏心硬密封蝶阀特点通用的三偏心蝶阀已在国内大量生产，但三偏心蝶阀现有技术中，三偏心硬密封蝶阀所使用的密封圈大多采用多层软硬叠片结构形式，它存在以下缺点：当阀门在打开状态时，介质对其密封面形成正面冲刷，金属片夹层中的软密封带受冲刷后，容易损坏并直接影响密封性

5、能；频繁启闭会导致软密封部分先损坏，密封失效，使用寿命不长；超低温下软密封容易变形，夹层之间线胀系数不一，使密封容易失效。所以，多层软硬叠片式密封圈中的软夹层不能用于超低温（-196）和压力（压差）较高场合，不能适应频繁启闭的切换场合。空分设备配套用三偏心蝶阀利用三偏心原理设计，采用金属硬密封结构，阀座采用堆焊司太莱合金，密封圈采用整体双相不锈钢材料。在结构上，阀杆与阀体之间还设置有导向衬套，阀杆的下部设置有无油润滑平面轴承，用来减少转动时的摩擦力。在阀杆底部还设有防吹出装置。三偏心蝶阀在空分设备上的使用分子筛纯化系统切换阀国外公司设计制造的空分设备，其分子筛纯化系统切换阀采用的大都为三偏心硬

6、密封蝶阀或是分子筛纯化系统专用三杆阀，两种类型的阀门都具有耐磨损、抗腐蚀、使用寿命长和密封效果好的优点，大大提高了分子筛纯化系统切换系统的使用寿命与可靠性。而在国产空分设备上，目前采用的切换阀是在1980年初引进林德技术的基础上设计的软密封蝶阀，已经有近30年的历史。这种软密封蝶阀优点为自密封性强、流向不限等，在一定程度上受到用户认可。但这种软密封蝶阀在性能上不仅使分子筛高温再生（290）受到限制，使分子筛的性能得不到最优化；而且需周期性更换密封圈，给现场维护增加一定的工作量，往往只能适应20000m3/h等级以下空分设备的配套需求。而三偏心硬密封蝶阀正好弥补了软密封蝶阀的不足，必将逐步应用在

7、30000m3/h等级以上的大型空分设备分子筛纯化系统切换系统中。膨胀机系统进出口阀三偏心硬密封蝶阀的耐磨损、使用寿命长和密封效果好等优点使其广泛用于国外空分设备的膨胀机系统；而且，由于蝶阀的阻力系数小，通过的压降较小，可以降低系统的压力损失，这在一定程度上降低了空分设备的能耗指标。而在之前，国产空分设备在这些膨胀机系统进出口大都采用低温截止阀，低温截止阀的流通阻力远远大于蝶阀的流通阻力，使消耗在阀门上的压降增加。低温流程泵系统进出口阀与膨胀机系统相同，三偏心硬密封蝶阀用于低温流程泵系统，主要是因为其在深冷工况下具有密封性好、耐磨性好与流阻小的优点。尤其是泵的入口，较小的阻力可以更好地保证泵的

8、吸入压头。另外，由于三偏心硬密封蝶阀采用硬密封，还可以使用在空分设备的一些高压差部位。目前，杭氧工装设计制造的三偏心硬密封蝶阀已逐步应用在上述场合，尤其在膨胀机系统的进出口位置，像成钢梅塞尔20000m3/h、盈德日照60000m3/h等空分设备，并得到了用户的认可。但也存在不尽人意之处，如在低温流程泵系统，由于介质温度为-196，受材料线胀系数影响，阀门出现密封不稳定的现象。另外，由于检测设备的局限性，密封圈的互换通用性受到一定的局限，这给批量生产带来一定影响。高压氧用截止阀化工型特大型空分设备，根据煤气化工艺的不同及气化用的燃料不同，产品氧气的压力有2种：一种为4.55.2MPa（中压氧）

9、，另一种为6.49.8MPa（高压氧）。压力等级的提高对配套阀门提出了更高的安全性要求。据欧洲工业气体协会（EIGA）的IGC Doc 13/02/E氧气管道系统标准，截止阀、旁通阀等均为“撞击场合”（使氧气流动方向突然改变或产生漩涡的位置，从而引起氧气中夹带颗粒及异物对管壁的撞击，这样的位置称为“撞击场合”）。“撞击场合”容易产生激发能源，引起燃烧与爆炸，是危险场合。为适应高压氧管道的配套要求，杭氧工装设计开发了特种合金制的高压氧用截止阀。高压氧管道必须选用氧气专用阀门，其专用性及特点体现在：与氧气接触的阀体选用抗燃性能好、摩擦冲击不会产生火花的铜基合金或镍基合金，密封函选用难燃或阻燃材料；

10、阀门内腔流道均需打磨光滑，杜绝有褶皱等；阀门需经严格去油脱脂并包装严密，防止被污染；对大口径氧气阀门，还需设置均压小旁通阀，保证开阀的安全性。杭氧工装研制的高压氧用截止阀的主要技术参数：口径DN25DN250mm，压力PN10MPa，温度-20150。高压氧用隔爆型截止阀是氧气管网上的关键设备，小口径阀一般用于放散，大口径阀一般为管道隔离，其安装位置如图2所示。600)this.style.width=600px;图2高压氧用防爆型截止阀在氧气管网上安装位置示意图用于气体放散的小口径截止阀，口径一般为DN25DN40mm，压力为PN10MPa，其结构如图3所示。结构上采用隔爆型结构，在防爆墙外

11、操作阀门，符合安全操作要求。其主体材料选用蒙乃尔铜镍合金及铜合金，符合EIGA的氧气管道系统标准要求以及深度冷冻法生产氧气及相关气体安全技术规程（GB169122008，2009年10月1日实施）。铜合金及铜镍合金不含碳元素，高温只熔化，不会燃烧，摩擦撞击不起火，属不扩散燃烧材料；事故不蔓延，安全。该材料在压力21MPa条件下，流速在压力降允许范围下无限制，也称为在该压力下的免流速材料。用于隔离的大口径截止阀，口径一般在DN150DN250mm，压力为PN10MPa，其结构如图4所示。600)this.style.width=600px;图3用于气体放散的小口径截止阀结构示意图600)this

12、.style.width=600px;图4用于隔离的大口径截止阀结构示意图主阀上设置均压小旁通阀，主阀阀瓣采用内旁通结构，开阀时要求先缓慢开启小旁通阀均压，出口下侧缓慢升压，当阀瓣上下两侧压差0.3MPa时，再开启主阀，避免流速过快、温升过高，形成绝热压缩，引发燃爆事故。主阀阀内件采用蒙乃尔铜镍合金及铜合金材料，阀座为内嵌蒙乃尔阀座，旁通阀、旁通法兰及旁通管线均采用蒙乃尔铜镍合金及铜合金材料，保证在高压氧介质条件下工作的安全性。主阀及旁通阀均采用隔爆型结构。阀门配套的法兰面垫片采用缠绕式垫片，或采用退火软化铜垫片、镍合金垫片。高压氧用特种安全阀为确保设备的安全运行，在管道上设有安全阀，作为超压

13、保护装置。当设备压力升高超过允许值时，阀门自动开启，继而全量排放，以防止设备受压继续升高；当压力降低到规定值时，及时关闭阀门，从而保护设备的安全运行。特种安全阀是高压氧管道的安全保护装置，其性能好坏直接影响到设备的安全和可靠性。为了确保对设备的有效保护，安全阀应按最不利的情况考虑，分析可能发生的一切紧急情况，保证能排放掉系统中可能产生的最大过剩的介质。杭氧工装开发的高压氧用特种安全阀主要技术参数：口径DN40DN100mm，压力PN10MPa，温度-20150，开启压力410MPa，密封压力3.69MPa，排放压力4.411MPa，全开高度1/4喉径。尽管安全阀阀体及出口管通常处于或接近大气压

14、，但是这些部位在排放时会受到冲击。过流部分及阀入口的尺寸决定阀门入口的气体流速。因而安全阀起跳时的过流部分经受高流速的冲击。阀体和过流部分应被看作是冲击场合，因此常用免除材料。与高压氧用截止阀相似，与氧气接触的阀体等零件材料选用蒙乃尔铜镍合金或铜合金，确保其安全性。结构上采用全启式弹簧直接载荷式结构。在保证安全阀开启可靠的同时，必须保证其有较好的密封性。如果说最初的密封性是由机械加工工艺来保证，那么以后的密封性就还要取决于安全阀的关闭特性以及材料抵抗高速介质侵蚀的能力。要强调的是由于安全阀是弹簧直接载荷式的，阀座与阀瓣同为蒙乃尔铜镍合金时，注意选用材料牌号时要保证有一定的硬度差，以保证安全阀的

15、密封性。另外，由于蒙乃尔材料硬度不到HRC30，密封面加工研磨时也要注意。结束语上述内容仅介绍了大型空分设备配套阀门中的几种类型，随着空分技术的不断发展，还将有其他规格的阀门需求和一些自动控制等方面更高的要求，这需要在阀门成套过程中不断进行摸索，以适应空分技术的不断发展。在调节阀质量和水平的最终体现是能否满足成套空分设备工艺流程的需要，能否使成套空分设备稳定、可靠地长周期运行。成功开发研制大型空分设备配套阀门，是空分设备稳定运行的有力保证。采购前阀门选型的步骤和依据：在流体管道系统中，阀门是控制元件，其主要作用是隔离设备和管道系统、调节流量、防止回流、调节和排泄压力。由于管道系统选择最适合的阀

16、门显得非常重要，所以，了解阀门的特性及选择阀门的步骤和依据也变得至关重要起来。阀门行业到目前为止，已能生产种类齐全的闸阀、截止阀、节流阀、旋塞阀、球阀、电动阀、隔膜阀、止回阀、安全阀、减压阀、蒸汽疏水阀和紧急切断阀等12大类、3000多个型号、4000多个规格的阀门产品；最高工作压力为600MPa，最大公称通径达5350mm，最高工作温度为1200，最低工作温度为-196，适用介质为水、蒸汽、油品、天然气、强腐蚀性介质（如浓硝酸、中浓度硫酸等）、易燃介质（如笨、乙烯等）、有毒介质（如硫化氢）、易爆介质及带放射性介质（金属钠、-回路纯水等）。阀门承压件材质铸铜、铸铁、球墨铸铁、高硅铸铁、铸钢、锻

17、钢、高、低合金钢、不锈耐酸钢、哈氏合金、因科镍尔、蒙乃尔合金、双相不锈钢、钛合金等。并且能够生产各种电动、气动、液动阀门驱动装置。面对如此众多的阀门品种和如此复杂的各种工况，要选择管道系统最适合安装的阀门产品，我以为，首先应了解阀门的特性；其次应掌握选择阀门的步骤和依据；再者应遵循选择阀门的原则。1阀门的特性一般有两种，使用特性和结构特性。使用特性：它确定了阀门的主要使用性能和使用范围，属于阀门使用特性的有：阀门的类别（闭路阀门、调节阀门、安全阀门等）；产品类型（闸阀、截止阀、蝶阀、球阀等）；阀门主要零件（阀体、阀盖、阀杆、阀瓣、密封面）的材料；阀门传动方式等。结构特性：它确定了阀门的安装、维

18、修、保养等方法的一些结构特性，属于结构特性的有：阀门的结构长度和总体高度、与管道的连接形式（法兰连接、螺纹连接、夹箍连接、外螺纹连接、焊接端连接等）；密封面的形式（镶圈、螺纹圈、堆焊、喷焊、阀体本体）；阀杆结构形式（旋转杆、升降杆）等。2选择阀门的步骤和依据大体如下：选择步骤明确阀门在设备或装置中的用途，确定阀门的工作条件：适用介质、工作压力、工作温度等等。确定与阀门连接管道的公称通径和连接方式：法兰、螺纹、焊接等。确定操作阀门的方式：手动、电动、电磁、气动或液动、电气联动或电液联动等。根据管线输送的介质、工作压力、工作温度确定所选阀门的壳体和内件的材料：灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁、碳素钢、合

19、金钢、不锈耐酸钢、铜合金等。确定阀门的型式：闸阀、截止阀、球阀、蝶阀、节流阀、安全阀、减压阀、蒸汽疏水阀、等。确定阀门的参数：对于自动阀门，根据不同需要先确定允许流阻、排放能力、背压等，再确定管道的公称通径和阀座孔的直径。确定所选用阀门的几何参数：结构长度、法兰连接形式及尺寸、开启和关闭后阀门高度方向的尺寸、连接的螺栓孔尺寸和数量、整个阀门外型尺寸等。利用现有的资料：阀门产品目录、阀门产品样本等选择适当的阀门产品。选择阀门的依据在了解掌握选择阀门步骤的同时，还应进一步了解选择阀门的依据。所选用阀门的用途、使用工况条件和操纵控制方式。工作介质的性质：工作压力、工作温度、腐蚀性能，是否含有固体颗粒

20、，介质是否有毒，是否是易燃、易爆介质，介质的黏度等等。对阀门流体特性的要求：流阻、排放能力、流量特性、密封等级等等。安装尺寸和外形尺寸要求：公称通径、与管道的连接方式和连接尺寸、外形尺寸或重量限制等。对阀门产品的可靠性、使用寿命和电动装置的防爆性能等的附加要求。（在选定参数时应注意：如果阀门要用于控制目的，必须确定如下额外参数：操作方法、最大和最小流量要求、正常流动的压力降、关闭时的压力降、阀门的最大和最小进口压力。）根据上述选择阀门的依据和步骤，合理、正确地选择阀门时还必须对各种类型阀门的内部结构进行详细了解，以便能对优先选用的阀门做出正确的抉择。管道的最终控制是阀门。阀门启闭件控制着介质在

21、管道内的流束方式，阀门流道的形状使阀门具备一定的流量特性，在选择管道系统最适合安装的阀门时必须考虑到这一点。如下为选择阀门应遵循的原则：截止和开放介质用的阀门流道为直通式的阀门，其流阻较小，通常选择作为截止和开放介质用的阀门。向下闭合式阀门（截止阀、柱塞阀）由于其流道曲折，流阻比其他阀门高，故较少选用。在允许有较高流阻的场合，可选用闭合式阀门。控制流量用的阀门通常选择易于调节流量的阀门作为控制流量用。向下闭合式阀门（如截止阀）适于这一用途，因为它的阀座尺寸与关闭件的行程之间成正比关系。旋转式阀门（旋塞阀、蝶阀、球阀）和挠曲阀体式阀门（夹紧阀、隔膜阀）也可用于节流控制，但通常只能在有限的阀门口径范围内适用。闸阀是以