1 概述

高壓加氫工藝是石油深加工的一個重要手腕，它不只能進步單位原油的輕油收回率。而且能進步燃料油的質量，從而進步煉油廠的整體效益。高壓加氫安裝還能為石油化工安裝提供優(yōu)質的原料，也是油品脫硫的理想安裝。我國從 90 年代開端了高壓加氫安裝的建立，估計今后的幾年中，隨著我國煉外油量的逐年增加，高壓加氫安裝的建立仍將是石化行業(yè)的一大熱點，各大石化企業(yè)也都想藉此進步其煉油的程度和才能，以迎接參加 WTO 的應戰(zhàn)。

2 工況條件

高壓加氫安裝的介質環(huán)境有 2 個突出的特性，即高壓和臨氫（并隨同硫化氫）操作。

高壓操作不只僅是由于其操作壓力高（普通為 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）。高壓氣體貯存了較大的壓力能．一旦其儲輸設備（包括管道閥門）損壞，惹起的事故將是災難性的。

臨氫并隨同硫化氫操作。標明了對儲輸設備資料的苛刻請求。氫氣是一種能浸透到金屬資料內部并在常溫或高溫下惹起資料變性（惡化）的介質，常溫下能惹起金屬資料的脆化和變形等，高溫下能招致金屬資料內部和外部脫碳。硫化氫對金屬資料的腐蝕也是一個非常棘手的問題，常溫下它能惹起許多金屬資料的應力腐蝕開裂，高溫下它能惹起金屬資料的快速平均腐蝕。一切的這些特性都對高壓加氫閥門的資料、構造設計和強度設計等提出了嚴厲的請求。

3 需求狀況

高壓加氫安裝中的閥門，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，這類閥門固然數量不多，但其價錢卻占有較大的比例。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℃，主體資料有 ASTMA105、A182—F11/F22/F321、A216—WCB、A217—WC6／WC9、A351—CF8C，閥門直徑為 DN15-400 mm。這些閥門的功用與普通閥門相同，但國內目前尚不具備成套供給的才能，主要緣由在于閥門制造廠與用戶（特別是工程設計部門）溝通聯絡不夠，不理解閥門的運用條件和請求，短少一套與介質條件相順應的技術文件、模具和圖紙等，而且缺步工業(yè)化批量消費的經歷。

開發(fā)高壓加氫安裝中的閥門，不只能降低閥門價錢。而且可減少供貨周期，便當補充訂貨，同時又能推進閥門行業(yè)的開展。事實上，我國目前一些閥門制造廠已具備消費高壓加氫閥門的才能和條件，而且在加氫精制安裝（操作壓力 8~10 MPa）上已有勝利的應用。

性能良好的閥門，其設計、制造、檢查實驗及質量控制等各個方面和各個環(huán)節(jié)都做的比擬好。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、資料、檢查實驗及質量控制），分離高壓加氡安裝的介質條件停止討論。

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質量的一個重要參數，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只會污染環(huán)境，還易惹起火災或爆炸。閥門的內漏主要發(fā)作在閘板處，外漏主要發(fā)作在閥桿填料和閥蓋墊片處，故要取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(huán)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(huán)，以應用其強度較高（與模壓石墨環(huán)相比）的特性阻止石墨被擠入閥腔或閻外，中間則采用模壓石墨環(huán)（有時也在中間恰當的位置增設編織環(huán)）。由于柔性石墨的活動性好，有減磨性，同時石墨還具有良好的物理和化學穩(wěn)定性，因而用它作為填料既可取得良好的密封，又可減少對閥桿的磨損。關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。

填料在裝填過程中停止預緊縮也是保證良好密封（特別是長期良好密封）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，且設計了專用的預緊縮工具，因而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，因而此時應在填料選擇和閥桿外表處置上停止改良。采用以柔性石墨環(huán)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”構造。即在填料壓蓋的螺栓上增設碟簧，使填料壓蓋一直作用于填料上較大的壓力，從而可避免因壓蓋螵栓松弛或填料松弛而形成的外漏。

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。而關于球閥、旋塞閥（多為下閥蓋）和 DN ≤ 40mm 的閘闊、截止閥和止回閥，普通采用法蘭銜接閥蓋。壓力密封闊蓋的密封有 2 處，其一為閾蓋與環(huán)墊片（圖 1）的接觸處，其二為環(huán)墊片與閥體的接觸處。國外的一些閥門產品，將環(huán)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，從而顯著進步了其緊密性，但它增加了環(huán)墊片的加工難度。還有將環(huán)墊片外表及相應的閥體密封面鍍上一層銀，由于銀的塑性較好，容易填充密封面上的微觀孔隙，因而大大進步了閥蓋墊片處的密封性能。

圖 1 壓力密封閥蓋的環(huán)墊片

關于法蘭銜接閥蓋構造，大多數制造商采用了纏繞式墊片，由于纏繞式墊片彈性好，回彈率高，在保證穩(wěn)定性的狀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構造，行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(wěn)定性（即不會因較大的密封比壓而使墊片失穩(wěn)），同時又增加了介質走漏的阻力。事實證明，這樣的密封構造比擬好。

4.3內漏

①閘閥

國內外各制造廠的閘板構造設計上無太大的差異，普通 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。只需密封面加工精度到達請求，這種構造能夠滿足初期密封請求。但運用者希望閥門可以堅持持久的良好密封。普通狀況下，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 個改良倒子供參考。其一是努力進步閘板導軌的精度，使它與閘板堅持較小的配合間隙，以減少閘板與閥座的不平均磨損，從而保證較長的密封壽命。導軌普通是與閥體整體鑄造的，而且不容易停止機加工，故與閘板的配合間隙較大，倡議制造廠給予這方面的關注。其二是思索閘板和閥座下部的腐蝕。由于當閥門處于半開半關的位置時，會構成高速的介質流，它將對介質流經的區(qū)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，即構成沖刷腐蝕。避免沖刷腐蝕的措施可從選擇良好的資料動手，即在相應的部位上堆焊適宜的硬質合金資料。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，以避免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取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構造（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構成較小的流道，以接受沖刷腐蝕，而閥瓣和閥座的密封面則不再直接接受沖刷腐蝕，或緩解了其沖刷腐蝕的水平。

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構造及金屬對金屬的密封方式。這是由于該構造密封牢靠性高，火災平安性好，無摩擦，延長了閥門的有效壽命。

④旋塞閥

國外普通采用倒錐形均衡式閥芯（即旋塞）構造（圖 3）。普通 CL ≤ 300 等級采用機械均衡式構造，CL ≥ 600 等級采用壓力均衡式構造，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根底上對旋塞停止了噴塑處置，從而儉省了定期注密封劑的維護工作量。

1.閥體；2.旋塞
圖 3 倒錐形壓力均衡式旋塞閥

5 閥門強度設計

閥門的承壓部件都應停止強度剖析和強度設計，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（依據構造不同）尚須對閥座部分停止強度枝核。而作為非承壓部件的閥桿也是必需停止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 局部。

國外一些主要的閥門標準如 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）這些標準值作為設計尺寸，并且不再停止強度設計。這樣做是不嚴厲的，由于①閥門的內件構造不同，閥上腔的構造尺寸不同，因而其計算壁厚也不同。閥門的外觀構造特別是外形突變處的處置不同，其計算應力值特別是應力集中的程度也不同，最終也可能招致計算壁厚不同。②大多數閥體為鑄件，而冶煉條件較差，原資料來源復雜的閥門廠，其鑄件資料的性能差異較大。鑄件資料的性能又與其自身的鑄造缺陷（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，從而形成強度計算的根底數據（多么用應用）的差別較大。③不同的應用環(huán)境，其腐蝕狀況不同，應思索的腐蝕裕量不同。由于這些要素的影響，關于高壓臨氫閥門來說，對其有關的零部件停止強度和／或剛度計算就顯得非常必要，由于稍有過失，可能會帶來嚴重的結果。

目前國內大多數閥門廠均采用數學剖析法停止閥門的強度和／或剛度計算。這種辦法既費力又費時，計算精度也比擬差，特別是關于零部件的外形突變處，它不能準確地求出其應力程度。而國外的大多數閥門廠都采用了有限元剖析法，它既快又準確。關于高壓且請求苛刻的閥門來說，采用有限元法停止零部件的強度和／或剛度剖析是必要的。

6 資料

高壓加氫安裝的操作條件不只對資料的牢靠性有較高的請求，而且其介質（如氫氣和硫化氫）自身對資料性質也有較高的請求，即介質對資料自身存在的缺陷比擬敏感。假如資料中有非金屬夾雜、夾渣、氣孔、裂紋等不連續(xù)缺陷，容易招致氫氣的積聚，常溫下會因其構成的部分高壓而惹起氫變形，以至誘發(fā)微裂紋，同時也會使資料脆性惡化（氫脆）。高溫下，這些缺陷更利于氫致內部脫碳的停止，從而加快資料氫腐蝕決裂的進程。而硫化氫介質則對資料的外部不連續(xù)缺陷比擬敏感，特別是在濕硫化氫環(huán)境下，外部的不連續(xù)缺陷常常成為應力腐蝕開裂的誘因。因而，減少或限翻閥門承壓部件中的缺陷是保證其牢靠性，延長其運用壽命的關鍵要素之一。

閥門承壓部件的制造辦法有鑄造和鍛造 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，牢靠性高，因而鍛造是嗣造高壓加氫阿門承壓部件的理想辦法。但思索到大多數承壓部件的外形比擬復雜，而且它們中有很多超越了普通模鍛的尺寸，故國內外大多數閥門廠關于 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 個主要方面停止控嗣。冶煉對資料質量的影響是最根底的影響要素。不同的冶煉辦法，得到的資料質量差異也比擬大。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 冶煉辦法。VOD／AOD 與電爐冶煉相比，其有益合金元素燒損少，資料成分更容易接近理想狀態(tài)，而且脫氣性好，有害雜質元素少，故取得的資料質量也就比擬高。鑄造工藝是影響資料性能的關鍵要素，它觸及到了鑄膜資料選擇、木模外模型觸及、澆鑄溫度控制和澆鑄辦法選擇等方面?？傊?，有利于改善鑄件質量的鑄造工藝如精細鑄造、壓力鑄造和真空澆鑄等應作為閥門制造廠今后的開展方向。

焊樸是處置鑄件缺陷的一種彌補措施。大多數鑄件都是需求焊補修理的，假如缺陷超標就給予報廢，將會增加閥門的消費本錢。但每個閥門的焊樸數量、焊補面積和焊樸次數等應有限制，由于焊補區(qū)的金屬不同于鑄造金屬，焊補數量越多，焊補面積越大，形成鑄造金屬的不平均性越嚴重，從而招致資料的綜合性能降落。每次焊補都相當于給鑄件一次加熱，而屢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 標準中對鑄造資料的焊補提出了一定的請求，但其請求偏低，國外大多效閥門制造商的鑄件焊補控制程度均比 ASTM 規(guī)則的嚴厲。實踐上，鑄件焊補的控制還反映了鑄件資料的質量與消費本錢之間的均衡關系，因而關鍵還是要進步鑄件的鑄造質量，盡量減少鑄造缺陷。

7 檢查與實驗

閥門的強度（水壓）實驗、密封實驗及必要的無損探傷是權衡閥門能否合格的必要條件，但井不是權衡一個閥門好壞的充沛條件，至少對高壓加氫閥門來說，它們尚不能完整反映一個閥門的綜合質量。以閥門的密封為例，普通狀況下，只需保證密封件的機加工精度，就容易經過冷態(tài)下的工廠密封實驗，但它并不代表閥門在長期運用（特別是在高溫、高壓工作工況）條件下也能堅持良好的密封。一旦閥門部件呈現磨損、腐蝕、應力松弛、變形和資料變性等問題。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(wěn)定性和平均性、部件構造形成的部分應力程度等，都會從某種水平上影響到資料的腐蝕、應力松弛、變形和變性等問題。而資料的這些問題都是無損探傷和冷態(tài)下的壓力實驗無法檢查的。

關于普通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，這些問題將是不可疏忽的。因而，對高壓臨氫用閥門。應對其停止全方位的檢查實驗。由于閥門承壓零部件的資料質量（特別是鑄件資料）對閥門的運用壽命影響較大。故就承壓鑄件的檢查實驗作進一步討論。

鑄件資料的質量主要取決于其消費過程（如冶煉工藝、制造工藝等），而對其產品停止的各種檢查實驗僅僅是對其質量考核的一種手腕，它并不能改動資料的質量。因而，閥門零部件在開端工業(yè)消費行進行系統(tǒng)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議了資料（產品）的質量。結臺高壓加氫安裝的介質特性，在此提出其主要承壓零部件在工業(yè)消費前應停止的工藝評定項目。

①外觀檢查 應按 MSSSP-55 所列項目逐項檢查。

②化學成分剖析 包括爐前剖析和產品剖析，特別應關注有害雜質元素（如硫、磷、砷、銻、氫和氨等）的剖析?；瘜W成分剖析應按相應的 ASTM 規(guī)范停止。

③機械性能實驗 包括拉伸實驗（同時測試出拉伸強度、屈從強度、延伸率和截面收縮率，并停止斷口剖析）、彎曲實驗、沖擊實驗和硬度檢驗等。機械性能實驗應按相應的 ASTM 規(guī)范停止。

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 等規(guī)范停止。

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。對奧氏體資料，還應包括鐵索體含量的測定。檢驗按 ASTME38l/E45/E112 等規(guī)范停止。

⑥無損檢查 包括 RT、UT、MT、PT 等檢查。并給出適合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）規(guī)范經行。

⑦晶問腐蝕實驗 僅對奧氏體不銹鋼資料才有此請求。試按 ASTME262（Practice E）規(guī)范停止。

⑧焊接性能實驗 包括拉伸、彎曲、沖擊、硬度和無損探傷檢驗。

⑨閥體爆破實驗 液體爆破實驗按 ANSTB31.2 規(guī)范停止。在滿足一定控制指標的狀況下，經過工藝評定而肯定的工藝參數才干作為消費參數，并在工業(yè)消費中嚴厲執(zhí)行，才干取得滿足高壓臨氫應用條件的高質量閥門。

8 質量控制

國產閥門的質量問題更多的是呈現在管理上。由于中國的眾多制造業(yè)者在產品制造的每個工序上并不是都有一個詳細的、詳盡的而且實在可行的作業(yè)規(guī)程，即便有了這樣一個規(guī)程，也不能保證每個工作人員都不折不扣的接規(guī)程作業(yè)。正由于如此，才招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，都獲得了 ISO9000 的質量認證，它從某種水平上強化了閥門消費過程的質量管理。但是，還要注重技術文件的樹立，由于產品的先進與否主要取決于技術文件的先進性。

9 結語

影響閥門質量的要素較多，要消費出高質量的閥門，必需在各個方面都要做好。時值信息時期，閥門制造廠也應走進來，多與外界停止交流，與用戶（包括工程設計部門）停止交流。理解產品需求，理解閥門的運用介質工況，只要這樣，才干消費出合適的產品，才干博得市場。與國外閥門消費商交流。能夠理解先進技術和新產品，并用于改良我們的產品。