高参数氧气管路阀门设计与研制

高秉申¹，吴越峰²，吴礼学²

（1．合肥通用机械研究院，合肥230031；2．东华工程科技股份有限公司，合肥230024） 

摘要：在大型石化装置、化工装置中高温高压氧气管路和阀门是关键设备之一，其性能的好坏直接影响着整套装置的安全、可靠运行，影响着生产产品的品质。对高温高压氧气管路和阀门进行分析研究、设计与研制，提高氧气管路和阀门的性能，对大型装置具有重要意义，对阀门行业的技术进步也有推动作用。

关键词：氧气管路；纯氧气；阀门；防静电性能

1、概述

随着工业现代化的迅速发展，大型石化装置、化工装置的参数在不断提高，高温高压氧气阀门的参数范围也在不断提高，氧气阀门的需求量和需求范围也在不断扩大，高温高压氧气阀门已成为大型石化装置、化工装置中的关键设备之一。

新工艺、新装置的不断出现，对氧气阀的要求越来越严，氧气阀的参数越来越高。本文所述的氧气阀门设计参数是：公称直径：DN200，公称压力：PN100， 设计温度：DT=260℃，工作介质：纯氧气。

高温高压氧气介质属于易燃易爆危险品，高温高压氧气管路和阀门属于最高要求等级的设备，氧气与其他介质的根本区别在于，氧气是助燃剂，氧气燃烧不需要任何其它助燃剂；特别是高温高压氧气不能遇到任何一点火星。所以，防静电性能是氧气阀门稳定运行的重要保证，防静电措施包含在氧气阀门设计、生产、检验、包装运输、仓储等各个方面，其中设计方面包括流道的尺寸、形状、内表面情况，材料选择，密封面设计，阀芯、阀杆防转动结构，阀杆螺母防尘措施，阀门零部件加工，等等，特别是对高温高压氧气阀门，这些要求更为重要、更为严格，从结构设计、选材到加工都有严格要求。

我国氧气阀门的安全技术要求按国家标准GB16912-1997《氧气及相关气体安全技术规程》的规定，氧气阀门的设计、制造和检验按机械行业标准JB/T10530-2005《氧气用截止阀》的规定，该标准规定的氧气阀门参数范围是：公称直径：DN≤150，公称压力：PN≤40 ，设计温度：DT≤150℃，工作介质：纯氧气，超过这个参数范围的氧气阀门，目前国内还没有标准依据。相关国家标准GB16912-1997《氧气及相关气体安全技术规程》中8.5氧气阀门选用一节所指的工作压力，是指在常温下的最高允许工作压力，实际需求工况也有单个参数高的情况，比如，设计温度DT≤250℃,而设计压力DP≤0.2MPa,实际工作压力可能只有OP≤0.1MPa,这种工况的危险等级大大降低，依据我国氧气阀门专用标准JB/T10530-2005《氧气用截止阀》规定的参数。生产氧气阀门的参数一般是，工作压力OP≤2.0MPa, 工作温度OT≤120℃,而阀门选用一般原则，此时对应的设计压力DP≤4.0MPa, 设计温度DT≤150℃,但是高温同时高压的氧气阀门目前国内还没有设计、生产依据的标准。本文所述的氧气阀门设计参数是在高温条件下，公称压力PN100。

为了保证高温高压氧气阀门的密封性和工作安全性，应尽可能消除一切产生静电的因素，为了确定合理的密封面宽度，需要计算出能够承受必需密封力的最小密封面宽度，同时还需要分析各种因素对密封性能的影响。使高温高压氧气阀门既有良好的密封性，同时又具有安全的防静电性能。本文试图通过对主要零部件的设计分析，合理设计具备良好密封性和工作安全性的高温高压氧气阀门。

高温高压氧气阀门的主体材料采用美国标准ASTM  A494规定的镍鉻铁合金（CY-40、Inconel600）镍铜合金（Monel）、或纯镍（Nickel200），这些材料应用在高温高压氧气阀门中，作为氧气阀门用材的技术路线，材料的焊接、热处理等关键技术，都是高温高压氧气阀门研制过程中要解决的实际问题。

2、结构与工作原理

高温高压氧气阀门的基本结构是截止阀，普通阀门介质的流动方向是下进上出，即介质流从阀瓣下方的阀体流道进入，经过阀座后从阀瓣上方的阀体流道流出。在高温高压工作条件下，阀门的流道与普通阀门流道不同，氧气介质的流动方向是上进下出，即高温高压氧气流从阀瓣上方的阀体流道进入，经过阀座后从阀瓣下方的阀体流道流出，氧气介质流束经过的流道内腔表面要光滑、流畅、无棱角、尖角、无凹凸不平、无突变、阀门内部零件锐角倒钝倒圆，阀杆退刀槽加工要倒圆角，保证介质在流动过程中没有压力凸变，没有流束的方向凸变，阀体内腔中不能有任何固形物，从而防止产生静电。

利用流体力学原理分析介质在流道内的流动情况，确定阀体的介质流道形状尽可能采用流线形，阀体材料采用ASTM A494 CY-40的特性，在高温高压状态下，抗纯氧气对阀体的应力腐蚀和氧化腐蚀。

3、设计

本文所述的设计，主要是高温高压氧气阀门与普通阀门的设计有所不同的部分进行论述，其余部分从略。

3.1阀座密封副设计

阀座密封副设计是保证阀门安全正常工作的最重要一环，氧气介质渗透能力很强，要保证氧气阀阀座密封副有效可靠的密封，需要采取一系列的措施。通过减小密封面宽度来增大密封比压是主要措施之一。然而，减少密封面宽度需要考虑几个问题：（1）阀瓣关闭终点位置时密封面的接触应力；（2）阀瓣长期处于关闭位置时密封副表面的挤压应力；（3）高压高温氧气介质高速流动时对密封面的冲蚀等。因此，氧气阀阀座密封副要采用具有足够硬度、而且韧性足够好的材料。阀座密封副的宽度要适当，不能宽，同时又不能太窄，在密封副比较窄的情况下，保证阀座密封副的密封性能，所以阀座密封副采用锥面对球面结构，即阀座密封面是圆锥形面，阀瓣密封面是球形面，这样既容易对中位置，又能保证阀座密封副的密封比压。

综上所述，为了保证阀座密封副的密封性和工作稳定性，应适当减小密封面宽度，为了确定合理的密封面宽度，需要计算出能够承受密封比需的力和介质作用力总和所需的最小密封面宽度，同时还需要留有一定的安全系数，使阀座密封副既要达到有效的密封比压，同时又不能超过材料的许用应力。阀座密封副达到有效密封的条件是：

qMF<q<［q］

式中：           

qMF=(35+PN)/bm^1/2=(35+10)/1=45

q-计算的实际比压，Mpa

Qz-密封面上作用力总和

qMF-密封必需的比压, Mpa

［q］-阀座密封面材料的许用比压, Mpa  查《实用阀门设计手册》P663表3-14得：［q］=250

d-阀座密封副内径,mm设计给定d=200

bm阀座密封副宽度,mm设计给定bm=2.2

阀座密封副宽度bm取2.2mm，

 qMF=(35+PN)/bm^1/2=(35+10)/ /2.2^1/2=36.7

Qz=0.785x(d+bm)²PN

= x10= x10=235

计算结果：qMF=36.7<q=235<［q］=250

3.2阀体壁厚设计

对于圆筒形阀体，其阀体壁厚按第一强度理论分析，一般采用薄壁公式计算：

+C

式中：

Sb＝壳体设计壁厚（壳体计算壁厚+腐蚀余量，毫米(mm)；

P＝设计压力，MPa

dn＝阀体中腔最大直径，毫米(mm)；

［σ_L］＝阀体材料的许用拉应力，MPa。

C-考虑铸造偏差，工艺性和介质腐蚀因素而附加的余量，毫米(mm)；取C=8，阀体材料为美国标准ASTM  A494规定的镍鉻铁合金CY-40，［σ_L］=427 Mpa，dn＝240，计算结果Sb=10.84，而实际壳体壁厚取26，所以符合设计要求。

3.3防静电结构设计

我国在氧气管路输送领域的技术实力还不是很强，而欧洲工业发达国家走在我国前面，欧洲工业气体协会对氧气管路输送技术有专门的规定，并在世界各国得到广范应用。所以，我国的相关设计单位，在氧气管路设计中，一般都参照采用欧洲工业气体协会制定的氧气管路输送技术相关规定。

本文所述氧气阀门基本要求（性能要求、结构要求、参数确定、检验和验收指标等）按欧洲工业气体协会关于氧气管路技术相关规定，氧气阀门材料选择按欧洲工业气体协会关于氧气管路技术相关规定，阀门的性能要达到JB/T10530-2005《氧气用截止阀》的规定，同时要满足欧洲工业气体协会关于氧气管路技术相关规定。

3.3.1防止阀瓣逥转结构设计

阀体中腔内安装有防转导管，此管与阀瓣上的防转导杆相配合，使阀门在开启和关闭过程中，阀瓣在阀体中腔内只能上下轴向移动，不能有其他运动，防止阀瓣与阀体之间产生相对转动，阀体中腔内与防转导管对应的另一侧有定位导轨，其作用是当阀瓣处于开启状态时，防转导管与阀瓣上防转导杆配合长度就会减少，安装在垂直管路中的阀门，其阀瓣在阀杆上就会出现低头或摆头现象，此时关闭阀门，就会出现关闭不严的情况，定位导轨与阀瓣上的定位槽配合，其作用是使阀瓣低头或摆头的量控制在一定的范围内，保证阀瓣与阀座的相对位置处于正常，保证阀瓣的流畅移动，从而保证阀座密封面之间没有相互磨擦，不产生静电火花，避免因火花而导致的爆炸火灾危险，从而保证阀门的整机性能。阀体结构见图1.

图1. 阀体结构和流道形状

带防转导杆无横向滑动的阀瓣，阀瓣材料符合ASTM B164-A Inconel600的要求，阀瓣结构采用球形面设计，在开启和关闭过程中，阀瓣运行到任何一个位置，都要保证阀瓣与阀体形成的流道无死角，保证介质没有突然变向流动。阀瓣上有一个防转导杆与阀体上的防转导管相配合，保证阀瓣与阀体只有轴向移动，而不能有相对旋转运动，从而保证介质流动过程中没有静电产生。阀瓣上的定位槽与阀体上的定位导轨配合，保证阀瓣与阀座的正常位置，保证阀门的整机性能。带防转导杆的阀瓣见图2.

图2. 阀瓣形状

3.3.2其他部位防静电设计

3.3.2.1填料涵底部防静电特殊结构设计

阀杆与填料密封件，阀杆是阀门启闭过程的执行部件，阀杆要传递扭矩和力，同时阀杆与填料密封件之间有相对摩擦运动是不可避免的，在阀杆的运动与摩擦过程中，防静电措施是阀杆与填料密封件设计的关键，本项目采用特殊的专用材料V-1271膜片包裹石墨密封圈的组合办法，V-1271膜片很柔软耐磨，不会产生静电，同时石墨密封圈被包裹在里面不会掉粉尘进入阀腔内，一举两得，正好符合要求。阀杆材料符合ASTM B164-A Inconel600的要求。

阀盖的填料涵底部安装有专门的防尘、防静电特殊结构的V-1271密封环，保证填料内的微尘不会进入到阀腔内，杜绝氧气介质产生静电火花的可能。

3.3.2.2阀盖与中法兰密封圈

阀盖与中法兰密封圈，阀盖是整体铸件，材料符合ASTM A494 CY-40的要求，中法兰密封圈是阀门内腔的组成部分，对密封圈的性能要求是密封性好，在高温高压条件下，能够抵抗氧气的腐蚀，容易密封并且不产生静电火花，中法兰密封圈材料采用纯镍ASTM B164-A Nickel200。

3.3.2.3外部防静电设计

支架与防护，支架的主要功能与普通阀门的支架相同，所不同的是支架的外形要规则，要能很容易的使有机玻璃防护板完全贴合在支架的两侧，防护阀杆不受灰尘污染, 防止静电火花的产生。

防护有两部分组成，一部分是支架与有机玻璃防护板阀杆填料函部分，另一部分是阀杆梯形螺纹的防护。支架与有机玻璃防护板的防护主要是防止灰尘粘结在阀杆上，进而在阀杆运动过程中进入到填料涵内，进一步进入到氧气介质中而产生静电。支架与阀杆的防护就是用有机玻璃板封闭支架两侧，使阀杆外露部分与大气隔离。阀杆螺母的防护就是用金属罩封闭，使阀杆螺母与大气隔离，防止灰尘粘结在阀杆螺母上，通过梯形螺纹进入到阀杆下部，从而在阀杆转动过程中进入到填料涵内。

3.3.2.4润滑与标示

传动与标示，无论是采用锥齿轮驱动装置的，还是采用手轮驱动的，阀门的阀杆梯形螺纹部分不能用润滑油，要用润滑脂润滑。要在阀门的显眼位置，标示出醒目的“禁油”标志。

4、阀门的零部件脱脂处理与脱脂检测

氧气阀门最重要的要求是防止产生静电，阀门在装配前要对所有零部件，包括工装和工具要逐个进行脱脂处理，并进行脱脂后的油脂残留量检测，脱脂处理方法和脱脂后的油脂残留量检测方法都按JB/T10530-2005《氧气用截止阀》的规定。所有零部件，包括工装和工具逐个进行脱脂后的油脂残留量检测合格后方可装配，装配完成后再进行一次脱脂处理，并进行脱脂后的油脂残留量检测，一切试验完成后，最后一次进行脱脂处理，并进行脱脂后的油脂残留量检测，合格后进行包装。

5、结束语

氧气阀门基本要求（性能要求、结构要求、参数确定、检验和验收指标等）按欧洲工业气体协会关于氧气管路的规定，按照先进规范设计、生产阀门，推动我国阀门标准的制订，对阀门行业的技术进步有很大好处。我国氧气阀门专用标准JB/T10530-2005《氧气用截止阀》规定的参数，已经远远满足不了我国氧气阀门设计、生产、检验和验收等各环节的需求，《氧气用截止阀》的内容要充实，参数要提高，材料选择范围要扩大，《氧气用截止阀》标准急需修订，内容充实、修订后的《氧气用截止阀》标准应该增加很多内容，其文本字数至少应该是现行文本的几倍。GB/T16912-1997《氧气及相关气体安全技术规程》中关于氧气阀的某些内容，在JB/T10530中也应该有规定。

参考文献

陆培文，实用阀门设计手册第1版 北京机械工业出版社，2002