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专家分析炼油装置工况控制球阀现状及应用实例

1.

炼油装置控制球阀现状 ——裴炳安中石化广州工程有限公司技术总监正高级工程师


1.1 进口控制球阀

进口球阀主要应用在炼油装置中临氢高压、耐磨、高频开关、超低温等工况,最初是引进工艺包时由专利商推荐使用,进口球阀大部分是国外阀门厂与专利商合作,按工艺包要求研制的阀门,经过大量工程项目使用和持续改进,产品质量稳定、性能可靠,市场占有率很高。

常用的进口品牌有:MOGAS、HARTMANN、NELES、ARGUS、AST、VTI、KOSO、KTM、PERRIN、OMB(低温)、POYAM(低温) 等。

1.2  国产控制球阀

国产球阀主要应用在炼油装置中低压普通工况,阀门供应商众多,企业研发能力和管理水平参差不齐,产品整体质量水平和性能与进口品牌还有一定差距。

近几年来,国内部分有研发实力和企业管理水平较高的供应商,针对临氢高压、耐磨、高频开关、超低温工况球阀的结构特点和进口球阀应用中出现的问题,在阀门结构设计、填料和密封材料选择、表面硬化处理等方面,开展国产化攻关和研究,解决了球阀在苛刻工况使用中遇到的各种问题,用国产品牌替代了进口,取得了良好效果。

国产品牌替代进口的方案主要是:阀体采用国产,执行机构、电磁阀、阀位开关等配套附件采用进口品牌

2.

国内设计研发能力和生产装备水平


2.1  设计研发能力

国内供应商基本上都建立了生产管理系统(APS)和制造管理系统(MES),设有独立的设计研发部门,采用进口或国产三维软件开展阀门结构设计和仿真模拟计算。

国内企业的生产管理水平、软件应用深度、表面硬化处理工艺、填料及密封材料研究、新产品研发能力等,与国外先进水平相比还有较大差距,国产品牌的质量稳定性和产品一致性,还有待提高。


2.2生产装备水平

国内供应商大部分企业都装备有数控加工中心、数控车床、球面加工专机、数控球面磨削及自动研磨设备、表面硬化处理设备、净化处理设备、基本热处理设备、深冷处理设备、三坐标测量仪、化学成分分析仪、超声波探伤仪、磁粉探伤仪、氦质谱检漏仪、液压测试台、高温测试炉等,个别企业还配置有蒸汽或热油高温测试设备、智能刀具切换柜、小口径开关阀自动装配生产线等,企业生产装备和常规检验设备接近国外先进水平

国内供应商在阀门试压和产品性能测试方面参差不齐,整体水平与国外先进企业存在较大差距。



3.

国产替代进口现状及工业应用情况


3.1  可替代进口的国产球阀

可替代进口的国产球阀有以下几种类型:
1)S-ZORB装置耐磨程控球阀。
2)PX装置耐磨程控球阀。
3)PDS装置耐磨程控球阀。
4)POX装置水煤浆锁渣阀。
5)氧气切断球阀。
6)ANSI 2500LB、公称直径不大于DN400高压开关球阀(加氢紧急放空阀等除外)。
7)DN400~DN1200、公称压力不大于ANSI600LB大口径开关球阀。
8)公称直径DN100小口径低温(-196℃)开关球阀。
注:目前在役国产高压球阀的最高压力为ANSI 4500LB(DN350、操作温度545℃),大口径球阀的口径为DN1200(ANSI 600LB)

3.2 工业应用情况

   3.2.1 镇海炼化应用实例

应用实例如下:
1)S-ZORB装置。使用5台国产S-ZORB程控阀,投用3~4年。
2)PE装置。使用2台国产PDS程控阀,投用2~3年。
3)PX装置。使用1台国产PX程控阀,投用1年。
4)POX装置。使用30台国产水煤浆锁渣阀。
5)加氢装置。高压窜低压改造,使用3台国产2500LB固定球阀。
6)沸腾床加氢装置。使用1台2500LB国产带衬里浮动球阀。
7)高频执行机构。5台国产PX程控阀和PDS程控阀高频气动执行机构全部采用国产品牌,投用2~3年,使用情况良好。

   3.2.2 浙江石化应用实例

1)S-ZORB装置。氢气+催化剂管线14台程控球阀采用国产品牌;

2)煤气化装置Ⅰ。74台氧气切断阀、114台氮气切断阀、96台水煤浆锁渣阀全部采用国产品牌;

3)煤气化装置Ⅱ。98台氮气切断阀、72台水煤浆锁渣阀采用国产品牌。

   3.2.3 中科炼化应用实例

POX装置:33台粉煤主管道锁斗阀由进口品牌改用国产盘阀。

   3.2.4 东华能源(宁波)应用实例

PP装置:使用109台国产PDS程控阀,投用2~4年。

   3.2.5 青岛LNG接收站应用实例

1)LNG装车撬。使用1台国产ANSI 150LB 3〞低温球阀(-156℃),投用4年。

2)高压泵出口。使用1台国产ANSI 900LB 8〞低温球阀(-156℃),投用2年。

4.

耐磨球阀常见质量问题及原因分析


4.1  阀座和阀球密封面拉伤 


阀座和阀球密封面拉伤实例
原因分析:涂层硬度低等。
解决办法有以下几点:
1)分析应用工况和介质特性,了解介质中固体颗粒或粉料的硬度。
2)改进硬化处理方案和喷涂粉末配方,提高涂层硬度。
3)阀座密封面采用刮刀式结构,避免介质在密封面堆积等。

4.2  涂层脱落


阀球涂层脱落实例

原因分析:涂层结合力差,涂层耐腐蚀性差等。

解决办法有以下几点:

1)改进表面硬化处理方案,提高涂层结合力和喷涂质量。

2)改进喷涂粉末配方,增加涂层抗腐蚀性能等。

4.3  污垢在弹簧腔内聚集或结块


污垢在弹簧腔内聚集或结块实例

原因分析:阀座结构设计不合理,导致油污进入阀座弹簧腔等。

解决办法有以下几点:

1)阀座弹簧采用内腔封闭式等防尘结构。

2)重油、粉料和含固体颗粒工况小口径阀门尽量采用碟簧等。

4.4  阀门外漏

原因分析:

1)阀杆密封结构设计不合理。

2)阀杆密封填料质量不合格等。

解决办法有以下几点:

1)阀杆填料密封采用多重复合密封低逸散结构。

2)阀杆密封填料采用高性能一流品牌产品等。

4.5  阀门内漏

原因分析:

1)阀球密封面和/或阀座密封面拉伤导致泄漏。
2)阀座内腔密封失效导致泄漏等。
解决办法有以下几点:
1)改进硬化方案和喷涂粉末配方,提高涂层质量,避免密封面拉伤。
2)阀座密封面采用刮刀式结构,避免介质堆积造成密封面拉伤。
3)阀座弹簧采用内腔封闭式等防尘结构,避免阀座内腔密封失效。
4)改进阀门结构设计、提高阀门关键部件加工精度等。

4.6  阀门动作卡涩

原因分析:

1)阀门开、关过程中,粉料或固体颗粒在阀腔、阀座与阀体缝隙、弹簧腔、阀轴与轴承缝隙等部位聚集或结块,造成阀球和阀座密封面拉伤、弹簧失效、阀座弹性元件失效、阀轴抱死等,导致阀门扭矩增大。
2)执行机构输出力矩偏小等。
解决办法有以下几点:
1)改进硬化方案和喷涂粉末配方,提高涂层质量,避免密封面拉伤。
2)阀座密封面采用刮刀式结构,避免介质堆积造成密封面拉伤。
3)阀座弹簧采用内腔封闭式等防尘结构,避免阀座内腔密封失效。
4)改进阀门结构设计、提高阀门关键部件加工精度,减少阀门扭矩。
5)按有关标准规范要求选用合适的执行机构输出力矩等。

4.7  阀杆断裂


阀杆断裂实例

原因分析:

1)阀杆直径偏小。

2)阀杆材料强度和刚度偏低等。

解决办法有以下几点:

1)加粗阀杆直径。

2)阀杆改用高强度材料。

3)改进阀门结构,提高阀门加工和装配精度,减小阀门扭矩等。


5.

耐磨球阀质量控制要点


5.1  结构设计 

耐磨球阀的结构设计如下:
1)阀座弹簧采用内腔封闭式防尘结构。
2)阀座密封面采用刮刀式结构。
3)阀座弹簧采用内腔封闭式防尘结构。
4)阀轴和轴承(套)内表面采用耐磨结构。
5)阀杆采用防吹出结构。

6阀杆填料密封采用多重复合密封低逸散结构。


5.2  关键零部件加工精度 

关键零部件加工精度应注意以下几点:

1)球体驱动槽对称度和垂直度。浮动球驱动槽的对称度和垂直度差会造成回转偏向,导致球体和阀座硬化层拉伤和磨损;固定球的上下两端轴头或内孔的同轴度和垂直度差会导致上下轴承内部挤压,阀门扭矩增大。
2)阀球和阀座密封面圆度。阀球和阀座密封面的圆度应根据阀门口径和开关频率满足不同的真球度要求。阀球圆度差会导致阀门扭矩增大,阀座密封面圆度差会影响阀球和阀座的密封性能。
3表面光洁度。球体和阀座表面光洁度应不大于Ra0.2,阀杆表面光洁度应不大于Ra0.4。
4)阀座同心度。固定式低温球阀两端阀座同心度应不大于0.05mm才能实现双向密封。

5.3  表面硬化处理

耐磨球阀应根据各部件的特点采用不同的硬化工艺。常用的有:超音速喷涂、氧乙炔火焰喷涂、等离子喷涂、激光熔覆和气相沉淀。

1)超音速喷涂

HVOF:喷涂燃料为煤油(油枪)

HVAF:喷涂燃料为丙烷(气枪)

特点:涂层厚度为0.20~0.25mm,涂层结合力为70~90MPa,涂层硬度为HV750~HV1200。涂层孔隙率HVOF比HVAF大。

2)氧乙炔火焰喷涂特点:涂层厚度为0.5~0.7mm,涂层结合力不小于200MPa,涂层硬度为HRC50~HRC65(HV500~HV830),涂层孔隙率不大于0.5%。热喷后必须进行重熔提高喷焊层的结合力和抗氧化能力。

3)等离子喷涂特点:涂层厚度为0.25~3mm,硬度为HV700~HV1000。

4)激光熔覆特点:涂层厚度可达0.5mm,涂层孔隙率不大于0.1,涂层硬度较高。

5)气相沉淀气相沉淀分为:化学气相沉淀(CVD)和物理气相沉淀(PVD)。特点:硬化层厚度为2~5μm,硬度不小于HV2000。



等离子喷涂、氧乙炔火焰喷涂、超音速喷涂实例


6.

技术突破方向和质量提升建议


6.1  技术突破方向 


1)表面硬化处理工艺。研发高性能喷涂粉末,提高涂层结合力和涂层喷涂厚度。
2)结构设计和机加工。提高阀门的质量稳定性和产品一致性,提高加工精度、降低和减小阀门扭矩。
3)阀门密封材料。研制低逸散填料、低温密封环等。
4)阀门性能测试。高温、高压、超低温工况阀门性能测试。
5)扇形单作用气动执行机构研发(体积小,安装空间受限时使用)。
双向密封。

6.2  质量提升建议

1)细化招标文件技术要求内容。目前很多招标文件设计对影响阀门性能的关键参数(涂层结合力、厚度等)都没有提出明确要求,如果供应商对阀门的应用工况和工艺要求不了解,缺乏该工况阀门的使用经验,提供的阀门在结构设计、表面硬化处理等方面,就有可能达不到使用要求,导致阀门出现质量问题。
2)外协件质量监管。球阀的阀球、弹簧、填料密封材料等一般都是外购的,表面硬化处理很多也是外委加工,国内有的阀门厂铸件供应商多达十几家,铸件合格率低于65%,质量风险很大。因此,加强对阀门厂外协供应商选择和外协件检验及质量保证措施的监管力度,对提高球阀产品质量至关重要。
3)阀门关键制造工序和检验测试环节的监造或视频监控。
4)主力供应商队伍培养。进口球阀大部分都是供应商与专利商合作,按工艺包要求研制的阀门,由专利商推荐给用户使用。国内供应商由于不清楚工艺包要求和专利商意图,只能通过维修进口阀门积累设计和制造经验,因此,国产阀门招标时,应把供应商的设计制造能力和应用业绩作为重要参考指标,设置公平合理的招投标条件,避免低价恶性竞争,培育国产高端控制球阀主力供应商队伍,提高国产球阀的整体制造水平。