氧氣閥門設計及生產

                                 氧氣閥門設計及生產


                            上海申弘閥門有限公司     


摘要：在大型石化裝置、化工裝置中高溫高壓氧氣管路和閥門是關鍵設備之一，其性能的好壞直接影響著整套裝置的安全、可靠運行，影響著生產產品的品質。對高溫高壓氧氣管路和閥門進行分析研究、設計與研制，提高氧氣管路和閥門的性能，對大型裝置具有重要意義，對閥門行業的技術進步也有推動作用。


關鍵詞：氧氣管路；純氧氣；閥門；防靜電性能


1、概述  


隨著工業現代化的迅速發展，大型石化裝置、化工裝置的參數在不斷提高，高溫高壓氧氣閥門的參數范圍也在不斷提高，氧氣閥門的需求量和需求范圍也在不斷擴大，高溫高壓氧氣閥門已成為大型石化裝置、化工裝置中的關鍵設備之一。  新工藝、新裝置的不斷出現，對氧氣閥的要求越來越嚴，氧氣閥的參數越來越高。 氧氣閥門  上海申弘閥門有限公司主營閥門有：減壓閥(氣體減壓閥,可調式減壓閥,波紋管減壓閥,活塞式減壓閥,蒸汽減壓閥,先導式減壓閥,空氣減壓閥,氮氣減壓閥,水用減壓閥,自力式減壓閥,比例減壓閥)、安全閥、保溫閥、低溫閥、球閥、截止閥、閘閥、止回閥、蝶閥、過濾器、放料閥、隔膜閥、旋塞閥、柱塞閥、平衡閥、調節閥、疏水閥、管夾閥、排污閥、排氣閥、排泥閥、氣動閥門、電動閥門、高壓閥門、中壓閥門、低壓閥門、水力控制閥、真空閥門、襯膠閥門、襯氟閥門。.氧氣  氧氣是助燃性*的物質,是氧化反應的主體,氧氣由于氧化反應時會產生高熱值和體積膨脹，因此,氧氣是易爆氣體。所以,高純度、高壓的氧氣是危險介質。  


2.氧氣管路閥門選型的要求  由于閥門選用不當,在操作中高純度、高壓氧氣與碳鋼摩擦時與碳鋼中的碳產生火花,引起許多廠家氧氣閥門及管路發生爆炸,造成重大人身傷亡和設備損毀。血與火的教訓,引起了人們對氧氣閥門的高度重視。  氧氣管路閥門不能采用閘閥,因為閘閥在開關過程中,閘板與閥座間會產生強烈的摩擦,因而會產生火花和靜電，是很危險的!  


氧氣管路中“切斷型"閥門，通常在閥門公稱壓力：PN≤4.0MPa,DN≤400mm,或PN≤16.0MPa，DN≤250mm時選用截止閥。這是因為截止閥具備:閥瓣與閥座一旦接觸,閥門就被切斷關閉; 閥瓣與閥座一旦脫離,閥門就被切打開。因此,截止閥閥瓣與閥座間幾乎無“摩擦";在PN≤4.0MPa,DN≥400mm,或PN≤16.0MPa，DN≥250mm時,如果選用截止閥,則由于截止閥口徑過大,閥桿受力狀況惡化,閥門開啟費力,因此宜選用“防火型"聚四氟乙烯(F)軟密封球閥。  氧氣管路中“止回型"閥門，在小口徑:PN≤4.0MPa,DN≤80mm; PN≤16.0MPa，DN≤50mm時,多選用立式或水平式升降止回閥;在工作溫度≤180℃,PN≤4.0MPa,DN≥80mm; PN≤16.0MPa，DN≥50mm時多選用聚四氟乙烯(F)軟密封旋啟式止回閥;在氧氣工作溫度≥180℃時多選用紫銅密封墊的“軟密封"旋啟式止回閥。這是因為用聚四氟乙烯(F)或紫銅密封墊的“軟密封"旋啟式止回閥，在迅速關閉瞬間,不會由于金屬閥瓣直接打擊或撞擊金屬閥座,而產生火花，因此是安全型的。


 3.氧氣管路閥門的安全要求  


  氧氣管路閥門,除了上述選型要求外,從其它安全角度上,還有如下要求:


 3.1.閥門主體材料的要求 
     氧氣管路閥門的閥門主體材料要求:不氧化、不銹蝕;含碳極少,以減少氧氣在高速流動時,與鋼中的碳產生火星(鋼在砂輪上摩擦產生火星);內腔清潔無砂和臟物。林德公司LB141-74標準中指出:“在任何含氧成分高于空氣的氣體中,其雜質都有極易點燃的危險,當在某區域內雜質密集度增大時,很可能點燃所使用的金屬。"因此, 氧氣管路閥門的閥門主體材料多選用低碳級的或超低碳級的奧氏體不銹鋼:CF8;CF3;CF8M;CF3M或F304;F304L;F316;F316L等,氧氣閥門用不銹鋼鑄件時,必須要進行酸洗;或“80-3"硅黃銅(但我認為一是硅黃銅材料昂貴,二是硅黃銅強度偏低,因此,我本人不建議選用硅黃銅合金);在高純度、高壓力(CL≥900LB) 時，為了提高氧氣閥門的抗阻燃效果,此時,氧氣管路閥門的主體材料應選用安全等級更高的鎳基合金:蒙乃爾合金(M35-1;MONEL400;MONELK500)或英康乃爾合金(INCONEL600;INCONEL625).(見金陵石化氧氣閥門燒損照片)從這組照片可以看到，如果他們廠氧氣閥門不是采用INCONEL625（哈氏C合金）的話,氧氣管路著火就會將整個裝置燒掉。  


3.2  脫脂和禁油
  氧氣管路閥門還必須“脫脂"和有“禁油"的裝置。氧氣閥門不允許有油污的，因為油污在氧氣中會燃燒著火爆炸!所以,在閥門裝配前要對所有零
件進行脫脂處理;在裝配試壓后還要對閥門通道再進行一次脫脂處理,簡便的檢查辦法是:用干凈的白布擦閥門內腔
,白布擦后不得有污跡。對氧氣閥門的閥桿不允許暴露在外面,必須有用機玻璃(高溫時用不銹鋼)的防塵、禁油隔離保護裝置,并用紅字醒目的標出“禁油"。
  3.3  防靜電  氧氣管路閥門還必須有防“靜電"裝置。因為閥門在開關時,不可避免的有各種摩擦,而摩擦會產生靜電,有靜電就會打火,因而也是十分危險的!所以,氧氣管路閥門必須有能*導出靜電的“防靜電"裝置。  《氧氣閥門的清潔度檢查》:  氧氣閥門應認真仔細清洗，脫除雜質，如：油、油脂、灰塵、水、銼銷、焊渣、油漆以及其它外來雜質。金屬表面油的大允許濃度為1g/m2，肉眼無法看到油污。


a. 直接檢查      


 如果可能，所有的表面都必須進行視覺直接檢查，按照ASTM G93中述的 方法，通過強白光和紫外線光照射。  





 被檢查表面必須干燥且不含： 
 5     ——清洗劑；    


——粘附銹皮、焊渣、松散顆粒或纖維；    


——有機物，例如：脂類、油、油漆、密封劑等；    


——無法用紫外光直接檢查時，必須用無纖維屑、干凈的白棉布擦洗表面，可以蘸三氯乙烯(或四氯化碳)，然后，檢查棉布確保無油、殘渣、污漬、纖維等。


b. 間接檢查      無論是視覺直接檢查，還是用內孔徑表面檢查儀之類的工具無法進行檢查的部件，都必須用三氯乙烯(或四氯化碳)溶劑循環沖洗，然后從流出的溶劑中取樣，進行如下檢查：    


——樣品必須在強光下進行檢查，與新的、未經使用的溶劑樣品進行比較，必須保證檢測不出差別，沒有殘留物；    


——樣品還必須在紫外光（波長0.32～0.38mm）下進行檢測，與未經使用的溶劑再次比較，當樣品含污染物≥0.1g/L時,將會使溶劑發出熒光;


 ——可疑情況下,需要對實驗室使用的溶劑進行分析。100℃下蒸發后，樣品中殘雜物含量必須小于等于20mg/kg。  





    本文所述的氧氣閥門設計參數是：公稱直徑：DN200，公稱壓力：PN100， 設計溫度：DT=260℃，工作介質：純氧氣。  高溫高壓氧氣介質屬于易燃易爆危險品，高溫高壓氧氣管路和閥門屬于高要求等級的設備，氧氣與其他介質的根本區別在于，氧氣是助燃劑，氧氣燃燒不需要任何其它助燃劑；特別是高溫高壓氧氣不能遇到任何一點火星。所以，防靜電性能是氧氣閥門穩定運行的重要保證，防靜電措施包含在氧氣閥門設計、生產、檢驗、包裝運輸、倉儲等各個方面，其中設計方面包括流道的尺寸、形狀、內表面情況，材料選擇，密封面設計，閥芯、閥桿防轉動結構，閥桿螺母防塵措施，閥門零部件加工，等等，特別是對高溫高壓氧氣閥門，這些要求更為重要、更為嚴格，從結構設計、選材到加工都有嚴格要求。


     我國氧氣閥門的安全技術要求按國家標準GB16912-1997《氧氣及相關氣體安全技術規程》的規定，氧氣閥門的設計、制造和檢驗按機械行業標準JB/T10530-2005《氧氣用截止閥》的規定，該標準規定的氧氣閥門參數范圍是：公稱直徑：DN≤150，公稱壓力：PN≤40 ，設計溫度：DT≤150℃，工作介質：純氧氣，超過這個參數范圍的氧氣閥門，目前國內還沒有標準依據。相關國家標準GB16912-1997《氧氣及相關氣體安全技術規程》中8.5氧氣閥門選用一節所指的工作壓力，是指在常溫下的高允許工作壓力，實際需求工況也有單個參數高的情況，比如，設計溫度DT≤250℃,而設計壓力DP≤0.2MPa,實際工作壓力可能只有OP≤0.1MPa,這種工況的危險等級大大降低，依據我國氧氣閥門標準JB/T10530-2005《氧氣用截止閥》規定的參數。生產氧氣閥門的參數一般是，工作壓力OP≤2.0MPa, 工作溫度OT≤120℃,而閥門選用一般原則，此時對應的設計壓力DP≤4.0MPa, 設計溫度DT≤150℃,但是高溫同時高壓的氧氣閥門目前國內還沒有設計、生產依據的標準。本文所述的氧氣閥門設計參數是在高溫條件下，公稱壓力PN100。  為了保證高溫高壓氧氣閥門的密封性和工作安全性，應盡可能消除一切產生靜電的因素，為了確定合理的密封面寬度，需要計算出能夠承受必需密封力的小密封面寬度，同時還需要分析各種因素對密封性能的影響。使高溫高壓氧氣閥門既有良好的密封性，同時又具有安全的防靜電性能。本文試圖通過對主要零部件的設計分析，合理設計具備良好密封性和工作安全性的高溫高壓氧氣閥門。  高溫高壓氧氣閥門的主體材料采用美國標準ASTM  A494規定的鎳鉻鐵合金（CY-40、Inconel600）鎳銅合金（Monel）、或純鎳（Nickel200），這些材料應用在高溫高壓氧氣閥門中，作為氧氣閥門用材的技術路線，材料的焊接、熱處理等關鍵技術，都是高溫高壓氧氣閥門研制過程中要解決的實際問題。


2、結構與工作原理  


高溫高壓氧氣閥門的基本結構是截止閥，普通閥門介質的流動方向是下進上出，即介質流從閥瓣下方的閥體流道進入，經過閥座后從閥瓣上方的閥體流道流出。在高溫高壓工作條件下，閥門的流道與普通閥門流道不同，氧氣介質的流動方向是上進下出，即高溫高壓氧氣流從閥瓣上方的閥體流道進入，經過閥座后從閥瓣下方的閥體流道流出，氧氣介質流束經過的流道內腔表面要光滑、流暢、無棱角、尖角、無凹凸不平、無突變、閥門內部零件銳角倒鈍倒圓，閥桿退刀槽加工要倒圓角，保證介質在流動過程中沒有壓力凸變，沒有流束的方向凸變，閥體內腔中不能有任何固形物，從而防止產生靜電。  利用流體力學原理分析介質在流道內的流動情況，確定閥體的介質流道形狀盡可能采用流線形，閥體材料采用ASTM A494 CY-40的特性，在高溫高壓狀態下，抗純氧氣對閥體的應力腐蝕和氧化腐蝕。


3、設計  本文所述的設計，主要是高溫高壓氧氣閥門與普通閥門的設計有所不同的部分進行論述，其余部分從略。


3.1閥座密封副設計


 閥座密封副設計是保證閥門安全正常工作的重要一環，氧氣介質滲透能力很強，要保證氧氣閥閥座密封副有效可靠的密封，需要采取一系列的措施。通過減小密封面寬度來增大密封比壓是主要措施之一。然而，減少密封面寬度需要考慮幾個問題：


（1）閥瓣關閉終點位置時密封面的接觸應力；


（2）閥瓣處于關閉位置時密封副表面的擠壓應力；


（3）高壓高溫氧氣介質高速流動時對密封面的沖蝕等。


    因此，氧氣閥閥座密封副要采用具有足夠硬度、而且韌性足夠好的材料。閥座密封副的寬度要適當，不能寬，同時又不能太窄，在密封副比較窄的情況下，保證閥座密封副的密封性能，所以閥座密封副采用錐面對球面結構，即閥座密封面是圓錐形面，閥瓣密封面是球形面，這樣既容易對中位置，又能保證閥座密封副的密封比壓。  綜上所述，為了保證閥座密封副的密封性和工作穩定性，應適當減小密封面寬度，為了確定合理的密封面寬度，需要計算出能夠承受密封比需的力和介質作用力總和所需的小密封面寬度，同時還需要留有一定的安全系數，使閥座密封副既要達到有效的密封比壓，同時又不能超過材料的許用應力。閥座密封副達到有效密封的條件是：  qMF<q<［q］  式中：
            bm bmdQZ q)(14.3??   qMF=(35+PN)/bm1/2 =(35+10)/1=45  q-計算的實際比壓，Mpa Qz-密封面上作用力總和 qMF-密封必需的比壓, Mpa  ［q］-閥座密封面材料的許用比壓, Mpa  查《實用閥門設計手冊》P663表3-14得：［q］=250  d-閥座密封副內徑,mm設計給定d=200 bm閥座密封副寬度,mm設計給定bm=2.2 閥座密封副寬度bm取2.2mm，   qMF=(35+PN)/bm1/2 =(35+10)/ /2.21/2=36.7 Qz=0.785x(d+bm)2
PN  bmbmdQZq)(14.3??
=bm bmdbmd)(14.3)(785.02??
x10=bmbmd4)(?x10=235  計算結果：qMF=36.7<q=235<［q］=250 3.2閥體壁厚設計  對于圓筒形閥體，其閥體壁厚按*強度理論分析，一般采用薄壁公式計算：


3  ?P Pdn SbL?? ?2+C  式中：  Sb＝殼體設計壁厚（殼體計算壁厚+腐蝕余量，毫米(mm)； P＝設計壓力，MPa  dn＝閥體中腔大直徑，毫米(mm)； ［σL］＝閥體材料的許用拉應力，MPa。  C-考慮鑄造偏差，工藝性和介質腐蝕因素而附加的余量，毫米(mm)；取C=8，閥體材料為美國標準ASTM  A494規定的鎳鉻鐵合金CY-40，［σL］=427 Mpa，dn＝240，計算結果Sb=10.84，而實際殼體壁厚取26，所以符合設計要求。


材 料 詢 價 單
工程名稱：023.硫酸綜合樓			專業：			編號：JYB-023-2
序號	名稱	型號	單位	數量	單價	廠商	備注
1	全銅截止閥DN40	J41T-16T	個	4	1300	上海申弘閥門
2	彈簧壓力表	DN40 1.5級0-1.0MPa	個	4
3	截止閥DN50	J44W-16T型	個	1	2000	上海申弘閥門
4	截止閥DN40	J44W-16T型	個	2	1500	上海申弘閥門
5	截止閥DN32	J44W-16T型	個	3	1300	上海申弘閥門
6	化驗盆	09S304-15	個	1
7	暗裝照明配電箱+AL25	PXTR-3/1CM	臺	1			見圖614A-E811-023-5
8	暗裝照明配電箱+AL26	PXTR-3/1CM	臺	1			見圖614A-E811-023-5
9	暗裝照明配電箱+AL11	PXT-3-3*3/462*94*275	臺	9			見圖614A-E811-023-6
10	暗裝照明配電箱+AL16	PXT-3-3*3/462*94*275	臺	1			見圖614A-E811-023-6
11	暗裝照明配電箱+AL3	PXTR-3-3*5/612*94*275	臺	1			見圖614A-E811-023-7
12	暗裝照明配電箱+AL4	PXTR-3-3*5/612*94*275	臺	1			見圖614A-E811-023-7
13	暗裝照明配電箱+AL5	PXTR-3-3*5/612*94*275	臺	1			見圖614A-E811-023-7
14	暗裝照明配電箱+AL6	PXTR-3-3*5/612*94*275	臺	1			見圖614A-E811-023-7
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經辦人：					經辦人：
日  期：					日  期：

3.3防靜電結構設計  


我國在氧氣管路輸送領域的技術實力還不是很強，而歐洲工業發達國家走在我國前面，歐洲工業氣體協會對氧氣管路輸送技術有專門的規定，并在世界各國得到廣范應用。所以，我國的相關設計單位，在氧氣管路設計中，一般都參照采用歐洲工業氣體協會制定的氧氣管路輸送技術相關規定。  


本文所述氧氣閥門基本要求（性能要求、結構要求、參數確定、檢驗和驗收指標等）按歐洲工業氣體協會關于氧氣管路技術相關規定，氧氣閥門材料選擇按歐洲工業氣體協會關于氧氣管路技術相關規定，閥門的性能要達到JB/T10530-2005《氧氣用截止閥》的規定，同時要滿足歐洲工業氣體協會關于氧氣管路技術相關規定。


3.3.1防止閥瓣逥轉結構設計


 閥體中腔內安裝有防轉導管，此管與閥瓣上的防轉導桿相配合，使閥門在開啟和關閉過程中，閥瓣在閥體中腔內只能上下軸向移動，不能有其他運動，防止閥瓣與閥體之間產生相對轉動，閥體中腔內與防轉導管對應的另一側有定位導軌，其作用是當閥瓣處于開啟狀態時，防轉導管與閥瓣上防轉導桿配合長度就會減少，安裝在垂直管路中的閥門，其閥瓣在閥桿上就會出現低頭或擺頭現象，此時關閉閥門，就會出現關閉不嚴的情況，定位導軌與閥瓣上的定位槽配合，其作用是使閥瓣低頭或擺頭的量控制在一定的范圍內，保證閥瓣與閥座的相對位置處于正常，保證閥瓣的流暢移動，從而保證閥座密封面之間沒有相互磨擦，不產生靜電火花，避免因火花而導致的爆炸火災危險，從而保證閥門的整機性能。閥體結構見圖1.  
4               圖1. 閥體結構和流道形狀  帶防轉導桿無橫向滑動的閥瓣，閥瓣材料符合ASTM B164-A Inconel600的要求，閥瓣結構采用球形面設計，在開啟和關閉過程中，閥瓣運行到任何一個位置，都要保證閥瓣與閥體形成的流道*，保證介質沒有突然變向流動。閥瓣上有一個防轉導桿與閥體上的防轉導管相配合，保證閥瓣與閥體只有軸向移動，而不能有相對旋轉運動，從而保證介質流動過程中沒有靜電產生。閥瓣上的定位槽與閥體上的定位導軌配合，保證閥瓣與閥座的正常位置，保證閥門的整機性能。帶防轉導桿的閥瓣見圖2.       圖2.  閥瓣形狀  


3.3.2其他部位防靜電設計  


3.3.2.1填料涵底部防靜電特殊結構設計  閥桿與填料密封件，閥桿是閥門啟閉過程的執行部件，閥桿要傳遞扭矩和力，同時閥桿與填料密封件之間有相對摩擦運動是不可避免的，在閥桿的運動與摩擦過程中，防靜電措施是閥桿與填料密封件設計的關鍵，本項目采用特殊的材料V-1271膜片包裹石墨密封圈的組合辦法，V-1271膜片很柔軟耐磨，不會產生靜電，同時石墨密封圈被包裹在里面不會掉粉塵進入閥腔內，一舉兩得，正好符合要求。閥桿材料符 5  


合ASTM B164-A Inconel600的要求。  


閥蓋的填料涵底部安裝有專門的防塵、防靜電特殊結構的V-1271密封環，保證填料內的微塵不會進入到閥腔內，杜絕氧氣介質產生靜電火花的可能。


3.3.2.2閥蓋與中法蘭密封圈  閥蓋與中法蘭密封圈，閥蓋是整體鑄件，材料符合ASTM A494 CY-40的要求，中法蘭密封圈是閥門內腔的組成部分，對密封圈的性能要求是密封性好，在高溫高壓條件下，能夠抵抗氧氣的腐蝕，容易密封并且不產生靜電火花，中法蘭密封圈材料采用純鎳ASTM B164-A Nickel200。


3.3.2.3外部防靜電設計  支架與防護，支架的主要功能與普通閥門的支架相同，所不同的是支架的外形要規則，要能很容易的使有機玻璃防護板*貼合在支架的兩側，防護閥桿不受灰塵污染, 防止靜電火花的產生。  防護有兩部分組成，一部分是支架與有機玻璃防護板閥桿填料函部分，另一部分是閥桿梯形螺紋的防護。支架與有機玻璃防護板的防護主要是防止灰塵粘結在閥桿上，進而在閥桿運動過程中進入到填料涵內，進一步進入到氧氣介質中而產生靜電。支架與閥桿的防護就是用有機玻璃板封閉支架兩側，使閥桿外露部分與大氣隔離。閥桿螺母的防護就是用金屬罩封閉，使閥桿螺母與大氣隔離，防止灰塵粘結在閥桿螺母上，通過梯形螺紋進入到閥桿下部，從而在閥桿轉動過程中進入到填料涵內。


3.3.2.4潤滑與標示  傳動與標示，無論是采用錐齒輪驅動裝置的，還是采用手輪驅動的，閥門的閥桿梯形螺紋部分不能用潤滑油，要用潤滑脂潤滑。要在閥門的顯眼位置，標示出醒目的“禁油"標志。


 4、閥門的零部件脫脂處理與脫脂檢測  氧氣閥門重要的要求是防止產生靜電，閥門在裝配前要對所有零部件，包括工裝和工具要逐個進行脫脂處理，并進行脫脂后的油脂殘留量檢測，脫脂處理方法和脫脂后的油脂殘留量檢測方法都按JB/T10530-2005《氧氣用截止閥》的規定。所有零部件，包括工裝和工具逐個進行脫脂后的油脂殘留量檢測合格后方可裝配，裝配完成后再進行一次脫脂處理，并進行脫脂后的油脂殘留量檢測，一切試驗完成后，后一次進行脫脂處理，并進行脫脂后的油脂殘留量檢測，合格后進行包裝。


5、結束語


 氧氣閥門基本要求（性能要求、結構要求、參數確定、檢驗和驗收指標等）按歐洲工業氣體協會關于氧氣管路的規定，按照規范設計、生產閥門，推動我國閥門
 6  標準的制訂，


 對閥門行業的技術進步有很大好處。我國氧氣閥門標準JB/T10530-2005《氧氣用截止閥》規定的參數，已經遠遠滿足不了我國氧氣閥門設計、生產、檢驗和驗收等各環節的需求，《氧氣用截止閥》的內容要充實，參數要提高，材料選擇范圍要擴大，《氧氣用截止閥》標準急需修訂，內容充實、修訂后的《氧氣用截止閥》標準應該增加很多內容，其文本字數至少應該是現行文本的幾倍。GB/T16912-1997《氧氣及相關氣體安全技術規程》中關于氧氣閥的某些內容，在JB/T10530中也應該有規定。本文相關的論文有：中國閥門產值遞增