【摘要】分析了石油化工系統汽油催化吸附脫硫裝置用金屬密封球閥的工況條件和技術要求，提出了閥門結構的改進方案和專業化設計過程。
1.概述
為了保護生態環境，減少石油化工的污染，提取更加清潔的汽油燃料，我國引進美國康菲公司的汽油催化吸附脫硫技術，由中國石化工程建設總公司SEI設計的汽油催化吸附脫硫（S-zorb）裝置，生產高標準汽油，減少二氧化硫等有毒有害氣體的排放。S-zorb裝置中，介質是高壓氫氣吹送的高硬度的固體催化劑氧化鋁顆粒，介質溫度為440℃，壓力為2.8MPa，閥門開關頻繁，約20min開關一次。該系統的嚴苛工況中，以前閥門大都采用進口品牌，部分球閥在使用二三個月，就出現了動作卡滯、密封面劃傷或沖蝕、密封不嚴、閥桿變形、球體或閥座被沖蝕甚至穿透、腔體沖蝕等一系列威脅裝置安全的嚴重問題。同時進口閥門采購成本高、備件供貨周期長、維修周期長、缺少專業技術支持等因素，影響裝置長周期的安全運行。
2.分析
國外S-zorb金屬密封球閥主要有MOGAS公司（圖1-美國）和GOSCO公司（圖2-加拿大）C系列S-zore產品。

圖1 美國MOGAS公司C系列S-zore金屬密封球閥
S-zorb裝置金屬密封球閥結構分析
（1）閥座靜密封采用金屬面配對研磨密封，單側蝶形彈簧直接加載，在介質作用下，彈簧無保護，該側因為固體介質進入而影響靜密封。反向介質壓力時，容易造成閥體與閥座的松動或間隙過大，粉塵容易進入配合間隙，最終導致閥門泄漏。
（2）閥座密封面沒有刮刀結構，無法進行刮削清潔，介質粘結閥門內件，造成拉傷而泄漏。啟閉力矩變大，動作卡滯，影響閥門動作性能。

圖2 加拿大GOSCO公司S-zore金屬密封球
（3）閥桿未得到**保護，微小的固體顆粒在介質壓力的作用下非常容易進入閥桿與閥體的配合間隙，造成閥桿損傷及卡塞。
3.改進
S-zorb裝置閥門使用的催化劑金屬密封缺口球體球閥如圖3所示。針對現有閥門實際存在的弊端，采取相應的的措施，如缺口球體、非對稱閥座等，尤其適用該裝置中介質為高硬度條狀氧化鋁固體催化劑、氣固兩相流高磨損場合，**解決了閥門開關卡滯，密封面泄漏，使用壽命短的問題，提高了閥門的使用性能。

圖3 金屬密封缺口球體球閥
閥體結構采用兩段式鍛造結構，具有更好的致密性，**鑄造閥體固有的縮孔、疏松缺陷，排除了鑄件存在的氣孔、裂紋、疏松和夾雜等缺陷，具有更高的機械性能。
使用有限元分析軟件ANSYS進行強度校核。鑒于閥體完全對稱，取閥體一半進行研究。主、副閥體施加螺柱連接約束，同時添加相應的對稱約束，在閥體內腔施加壓力（10MPa），模型網格化，整體校核閥體。受力情況如圖4所示，**受力為37.87MPa，小于ASTMA182F316H的許用應力120MPa，完全滿足要求。

圖4 閥體有限元強度分析
閥門采用獨特的非對稱缺口球體技術來降低操作時催化劑顆粒的流速，以減小對球體和閥座的沖刷磨損。通常情況下，在球閥微開啟和即將關閉區域形成一個近似橢圓的流通面積，流體會因節流形成高速度，在高壓時甚至達超音速，非對稱缺口球體設計將流通面積擴大數倍以上。通過擴散流體，可**降低流速，顯著降低流體對二者的沖擊損壞。閥門球體的球口進行修磨處理，以減小球口的應力集中和沖蝕磨損。
閥門的球體和閥座采用超音速噴涂高硬度碳化鎢（HVOF），表面硬化硬度為64～68HRC，結合強度不小于基體的屈服強度（68.9MPa），涂層的厚度不小于0.8mm，充分保證內件的高溫機械性能（強度、硬度、疲勞及剛性等）和化學穩定性（高溫腐蝕性和沖蝕等），提高其耐磨性和沖擊性。
使用有限元分析軟件ANSYS進行強度校核。在球體兩側密封面區域添加對稱約束，在球體密封面兩側分別施加10.0MPa的壓力。整體校核球體受力情況如圖5所示，**受力為96.97MPa，小于ASTMA182F316H的許用應力120MPa，完全滿足要求。

圖5 球體有限元強度分析
在球閥的初啟和即將關閉時，具有高速度和磨損性的流體會造成球體和閥座的損壞。通過對流體動力學的分析，改變和調整了流體在開關過程中通過流道口時的流體形態，相同開度下將流通面積擴大至數倍（圖6），通過擴散流體，降低流速，明顯降低對球體和閥座的沖刷，保護了耐磨球閥內件。同時，通過流體自動降低球體前后兩端的受力，相互抵消，**降低閥門開啟時的力矩15%～40%，提高閥門的運行穩定性，延長閥門使用壽命。在設計缺口球體時，必須先采用三維仿真軟件模擬設計，再對其進行ANSYSFLOTRAN流體流場分析（圖7）。

（a）缺口球體（b）普通球體
圖6 缺口球體與普通球體的流體動力學分析對比


（a）缺口球體（b）普通球體
圖7 缺口球體球閥與普通球體球閥流通面積比較
閥座采用非對稱結構，主密封為與副閥體一體式閥座帶刮刀結構，在**了靜密封泄漏點的同時，亦有較好加工性能和研磨便利性，還保證閥門開關過程中刮削掉缺口球體表面粘結的雜質，確保閥門開關自如（圖8）。副密封為與主閥體分體式閥座帶刮刀結構，碟形彈簧加石墨密封圈、防塵圈的形式，解決了粉塵進入密封面引起泄漏以及卡阻的問題（圖9）。刮刀結構強力**球體和閥座間的催化劑顆粒沉積，保障閥門穩定的動作性能。閥座與球體配套研磨，研磨后采用煤油滲透的檢驗。彈簧腔采用封閉式結構，彈簧前后設置防細微顆粒石墨團，在介質壓力和彈簧力的作用下壓縮石墨圈，實現楔式密封，防止催化劑細微顆粒進入彈簧腔。采用彈性加載結構，在正常關閉情況下確保球體和閥座密封面始終保持密封，在高溫下也能**補償閥門內件的受熱膨脹。

圖8 副閥體一體式閥座

圖9 主閥體分體式閥座
閥桿采用高強度高溫沉淀硬化不銹鋼ASTMA638660，抗拉強度為895MPa，**保證閥桿能承受閥門開關力矩。閥桿與球體采用新式的導向插入式定位設計。閥桿的下端保留一段圓柱狀的凸起，該凸起直接插入閥門球體上的不開孔中，并且采用大間隙配合，保證閥桿在球體中的自由轉動。另一方面，導向插入結構限制了閥桿和球體相對線性位移，防止閥桿頂球體，增加不必要的扭矩，防止閥門動作不暢。
在閥桿凸肩和填料函之間設彈性柔性石墨和高硬度硬質合金減摩墊。減摩墊拋光處理，在介質壓力作用下，硬質合金減摩墊既可以起到初級密封的作用，防止介質外漏，**阻止催化劑進入填料函，避免閥桿卡塞，又可以降低閥桿和填料函之間的摩擦力矩，改善閥門動作性能。
使用有限元分析軟件ANSYS進行的強度校核，在閥桿底端添加固定約束，在閥桿頂端施加閥門的啟閉力矩2555N•m。整體校核閥桿受力情況如圖10所示，**受力為64.86MPa，小于ASTMA838660的許用應力250MPa，完全滿足要求。

圖10 閥桿有限元強度分析
4.結語
通過模擬工況試驗及實際工況的運行和使用證明，汽油催化吸附脫硫裝置用金屬密封球閥密封性能良好，啟閉順暢，達到了S-zorb裝置催化劑工況的技術要求和正常使用的密封可靠性。該產品實現了國產化，減少了對進口設備的依賴，降低了設備采購成本和維護費用，提高了裝置的使用周期和運行效率。
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資訊來源：無錫科萊恩流體控制設備有限公司