在延遲焦化裝置高溫、介質(zhì)具有磨損與腐蝕性、粘結(jié)性和溫度交變的苛刻工況條件下，焦炭塔底進(jìn)料管線和焦炭塔頂大油氣線均通過高溫防結(jié)焦球閥來實(shí)現(xiàn)過程控制，目前該閥門大多依賴進(jìn)口。結(jié)合延遲焦化裝置對(duì)高溫防結(jié)焦球閥的工況要求，從閥門設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、高溫?zé)釕B(tài)試驗(yàn)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)選擇和工業(yè)應(yīng)用等方面進(jìn)行分析，闡述了所開發(fā)的高溫防結(jié)焦球閥能夠滿足延遲焦化裝置工況要求，通過工業(yè)應(yīng)用驗(yàn)證了產(chǎn)品的安全可靠性，可以實(shí)現(xiàn)替代進(jìn)口。

　　延遲焦化裝置在煉油廠中的操作條件非常惡劣，原料通常來自常減壓裝置的減壓渣油、渣油罐區(qū)的原油、催化裝置的催化油漿、污油罐區(qū)的污油和乙烯裝置裂解焦油，通過加熱爐加熱到一定的溫度(大約500℃)后進(jìn)入焦炭塔，在塔內(nèi)適宜的溫度、壓力條件下發(fā)生裂解、縮合、餾分等一系列化學(xué)反應(yīng)，最終生成氣體、汽油、柴油、蠟油、循環(huán)油組分及焦炭等產(chǎn)品。在每個(gè)焦炭塔中，一般通過8-12個(gè)關(guān)鍵閥門，來控制所輸送的蒸汽、水、油漿、烴類或者調(diào)節(jié)管線流量。由于渣油粘度大、溫度高、開關(guān)頻繁，因此需要采用高性能的閥門以保證延遲焦化裝置的穩(wěn)定運(yùn)行。

　　中國的延遲焦化裝置已經(jīng)超過100套，并呈現(xiàn)大型化趨勢，閥門所處的工況環(huán)境不僅口徑增大，操作溫度和操作壓力也在不斷提升。延遲焦化裝置的苛刻工況是：

　　1)高溫：焦炭塔底進(jìn)料管線溫度高達(dá)495-510℃，焦炭塔頂大油氣線溫度在420-460℃;在如此高溫的條件下，閥門材料受熱膨脹，易出現(xiàn)扭矩異常加大或高溫“抱死”現(xiàn)象。

　　2)含焦粉或含硫介質(zhì)：含焦粉介質(zhì)容易使閥門在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中造成密封面拉傷或磨損;焦炭中殘留的硫與水結(jié)合后具有腐蝕性，閥門密封面易出現(xiàn)點(diǎn)腐蝕，從而影響閥門密封性能。

　　3)溫度交變：在生焦和除焦過程中，過程溫度會(huì)經(jīng)歷從常溫到500℃高溫的周期性變化，閥門頻繁開關(guān)，容易出現(xiàn)介質(zhì)泄漏現(xiàn)象，并可能造成引起著火，危及裝置安全。

　　4)渣油粘度大：由于渣油粘度非常大，容易在閥座、球體、閥軸等部位結(jié)焦或積碳，導(dǎo)致閥門動(dòng)作困難或密封失效。

1、高溫防結(jié)焦球閥的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

　　高溫防結(jié)焦球閥的結(jié)構(gòu)如圖1所示：采用兩段式浮球結(jié)構(gòu)，由閥體、球體、閥座、波紋管、填料箱、支架、電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)等主要部件組成。

　　1)采用“桿球一體化設(shè)計(jì)”：高溫防結(jié)焦球閥的球體采用“桿球一體化”結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在保證球體與閥桿同軸度的同時(shí)，有效保證了閥桿的強(qiáng)度。球體與閥桿采用鍛件一體加工而成，一方面消除了閥桿和閥球之間類似銷(鍵)的機(jī)械連接，減少了因扭矩過大產(chǎn)生局部擠壓變形對(duì)開關(guān)位置精度的影響，并提高球桿連接處的強(qiáng)度;另一方面，一體化鍛件結(jié)構(gòu)也提高了球體與閥桿的綜合性能。

　　2)采用刮削式閥座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：為了防止焦粉顆粒進(jìn)入閥座，閥座密封面上設(shè)計(jì)有帶有猁鋒利女刀口的刮削式結(jié)構(gòu)。獨(dú)特的刮削式設(shè)計(jì)閥座使閥門在開關(guān)過程中能完全清除附著在球體表面粘結(jié)的焦油或焦粉顆粒，確保閥門開關(guān)自如，同時(shí)具有良好的密封性能，并通過精密加工的閥座面與閥球間的緊密磨合，形成了一個(gè)獨(dú)特的寬帶面密封。

圖1 高溫防結(jié)焦球閥結(jié)構(gòu)示意

1-付閥體　2-主閥體　3-墊片　4-波紋管　5-波紋管保護(hù)套　6-閥座　7-球體　8-止推墊片　9-填料箱　10-填料　11-填料壓板　12-填料　13-支架　14-電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)

　　3)球體表面和閥座密封面進(jìn)行特殊硬化噴涂處理，可有效解決因介質(zhì)含焦粉易造成閥門在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中密封面拉傷、磨損和介質(zhì)含硫密封面易出現(xiàn)點(diǎn)腐蝕的問題，球體和閥座采用同種基材保證高溫下球體與閥座具有相同的熱膨脹系數(shù)，球體表面和閥座密封面噴涂耐磨合金可提高球體與閥座的抗拉傷及抗腐蝕能力，延長閥門使用壽命。

　　4)波紋管閥座密封設(shè)計(jì)：為保證實(shí)際運(yùn)行時(shí)(有介質(zhì)壓力)閥座與閥球之間有一個(gè)初始的接觸應(yīng)力，進(jìn)口端閥座后采用波紋管獨(dú)特設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，溫度和壓力交變時(shí)，始終給閥座一個(gè)推力，使其緊緊地靠在閥球上，在介質(zhì)壓力的共同作用下，保證閥座的泄漏等級(jí)達(dá)到ANSI/FCI CLass V。同時(shí)，為防止中腔超壓，閥座在中腔壓力作用下，壓縮波紋管，將壓力自動(dòng)泄放到通道內(nèi)，保證了閥門安全可靠運(yùn)行。波紋管采用Inconel 625高溫合金材料，在正常關(guān)閉情況下確保了球體密封面和閥座密封面間的接觸，在高溫下能有效補(bǔ)償內(nèi)件受熱膨脹，避免因高溫而導(dǎo)致的卡阻。

　　5)波紋管蒸汽吹掃設(shè)計(jì)：這一設(shè)計(jì)可以有效防止介質(zhì)進(jìn)入波紋管造成波紋管因結(jié)焦而失去彈性，同時(shí)也可防止波紋管在除焦過程中因振動(dòng)而造成對(duì)閥座的壓緊力不均勻所引起的閥門泄漏。

　　6)閥腔和填料函蒸汽吹掃設(shè)計(jì)：對(duì)閥腔和填料函進(jìn)行吹掃，能夠阻止渣油結(jié)焦或沉積，有效地解決閥門內(nèi)件因被渣油粘結(jié)而造成的無法開啟的問題，同時(shí)有效保護(hù)填料。

　　7)活載填料設(shè)計(jì)：在填料壓緊螺柱和填料壓緊螺母之間設(shè)置蝶型彈簧預(yù)緊(即活載結(jié)構(gòu))，高溫防結(jié)焦球閥在溫度和應(yīng)力交變中，組合填料的預(yù)緊力可以得到連續(xù)性補(bǔ)償，從而減少填料因預(yù)緊力突然失壓從閥桿處泄漏的可能。

　　8)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選型：高溫防結(jié)焦球閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇，需要考慮隨著時(shí)間的推移，渣油結(jié)焦或沉積、溫度交變過程中管線膨脹或收縮要求執(zhí)行機(jī)構(gòu)具有較大的扭矩，推薦確定2.5倍以上的安全系數(shù)。

2、高溫防結(jié)焦球閥的高溫?zé)釕B(tài)試驗(yàn)

　　為確保提供在延遲焦化裝置上的高溫防結(jié)焦球閥的安全可靠性，除對(duì)高溫防結(jié)焦球閥按照API598標(biāo)準(zhǔn)所有常規(guī)檢查后，包括殼體強(qiáng)度試驗(yàn)和密封性能試驗(yàn)之外。每一臺(tái)高溫防結(jié)焦球閥均應(yīng)在工廠內(nèi)進(jìn)行高溫?zé)釕B(tài)試驗(yàn)，通過盡可能模擬防結(jié)焦球閥的實(shí)際工況，檢驗(yàn)閥門在高溫下的開關(guān)動(dòng)作、吹掃功能、涂層性能，確保閥門在延遲焦化高溫工況下的可靠性。詳見圖2-圖3。

圖2 高溫防結(jié)焦球閥安裝上線和高溫?zé)釕B(tài)試驗(yàn)裝置

圖3 高溫防結(jié)焦球閥使用3年后下線維護(hù)

3、工業(yè)應(yīng)用

　　如圖2(a)和圖3所示，上述所開發(fā)的高溫防結(jié)焦球閥通過工業(yè)實(shí)際應(yīng)用，證明其能滿足延遲焦化裝置工況要求，產(chǎn)品安全可靠，并已經(jīng)實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)，在延遲焦化裝置中與國外品牌相比具有較高的競爭力，可實(shí)現(xiàn)替代進(jìn)口。