延迟焦化装置高温防结焦球阀的特点与应用
在延迟焦化装置高温、介质具有磨损与腐蚀性、粘结性和温度交变的苛刻工况条件下，焦炭塔底进料管线和焦炭塔顶大油气线均通过高温防结焦球阀来实现过程控制，目前该阀门大多依赖进口。结合延迟焦化装置对高温防结焦球阀的工况要求，从阀门设计、结构特点、高温热态试验、执行机构选择和工业应用等方面进行分析，阐述了所开发的高温防结焦球阀能够满足延迟焦化装置工况要求，通过工业应用验证了产品的安全可靠性，可以实现替代进口。
延迟焦化装置在炼油厂中的操作条件非常恶劣，原料通常来自常减压装置的减压渣油、渣油罐区的原油、催化装置的催化油浆、污油罐区的污油和乙烯装置裂解焦油，通过加热炉加热到一定的温度(大约500℃)后进入焦炭塔，在塔内适宜的温度、压力条件下发生裂解、缩合、馏分等一系列化学反应，最终生成气体、汽油、柴油、蜡油、循环油组分及焦炭等产品。在每个焦炭塔中，一般通过8-12个关键阀门，来控制所输送的蒸汽、水、油浆、烃类或者调节管线流量。由于渣油粘度大、温度高、开关频繁，因此需要采用高性能的阀门以保证延迟焦化装置的稳定运行。
中国的延迟焦化装置已经超过100套，并呈现大型化趋势，阀门所处的工况环境不仅口径增大，操作温度和操作压力也在不断提升。延迟焦化装置的苛刻工况是：
1)高温：焦炭塔底进料管线温度高达495-510℃，焦炭塔顶大油气线温度在420-460℃;在如此高温的条件下，阀门材料受热膨胀，易出现扭矩异常加大或高温“抱死”现象。
2)含焦粉或含硫介质：含焦粉介质容易使阀门在转动过程中造成密封面拉伤或磨损;焦炭中残留的硫与水结合后具有腐蚀性，阀门密封面易出现点腐蚀，从而影响阀门密封性能。
3)温度交变：在生焦和除焦过程中，过程温度会经历从常温到500℃高温的周期性变化，阀门频繁开关，容易出现介质泄漏现象，并可能造成引起着火，危及装置安全。
4)渣油粘度大：由于渣油粘度非常大，容易在阀座、球体、阀轴等部位结焦或积碳，导致阀门动作困难或密封失效。
1、高温防结焦球阀的结构特点
高温防结焦球阀的结构如图1所示：采用两段式浮球结构，由阀体、球体、阀座、波纹管、填料箱、支架、电动执行机构等主要部件组成。
1)采用“杆球一体化设计”：高温防结焦球阀的球体采用“杆球一体化”结构设计，在保证球体与阀杆同轴度的同时，有效保证了阀杆的强度。球体与阀杆采用锻件一体加工而成，一方面消除了阀杆和阀球之间类似销(键)的机械连接，减少了因扭矩过大产生局部挤压变形对开关位置精度的影响，并提高球杆连接处的强度;另一方面，一体化锻件结构也提高了球体与阀杆的综合性能。
2)采用刮削式阀座结构设计：为了防止焦粉颗粒进入阀座，阀座密封面上设计有带有猁锋利女刀口的刮削式结构。独特的刮削式设计阀座使阀门在开关过程中能完全清除附着在球体表面粘结的焦油或焦粉颗粒，确保阀门开关自如，同时具有良好的密封性能，并通过精密加工的阀座面与阀球间的紧密磨合，形成了一个独特的宽带面密封。
图1 高温防结焦球阀结构示意
1-付阀体 2-主阀体 3-垫片 4-波纹管 5-波纹管保护套 6-阀座 7-球体 8-止推垫片 9-填料箱 10-填料 11-填料压板 12-填料 13-支架 14-电动执行机构
3)球体表面和阀座密封面进行特殊硬化喷涂处理，可有效解决因介质含焦粉易造成阀门在转动过程中密封面拉伤、磨损和介质含硫密封面易出现点腐蚀的问题，球体和阀座采用同种基材保证高温下球体与阀座具有相同的热膨胀系数，球体表面和阀座密封面喷涂耐磨合金可提高球体与阀座的抗拉伤及抗腐蚀能力，延长阀门使用寿命。
4)波纹管阀座密封设计：为保证实际运行时(有介质压力)阀座与阀球之间有一个初始的接触应力，进口端阀座后采用波纹管独特设计结构，温度和压力交变时，始终给阀座一个推力，使其紧紧地靠在阀球上，在介质压力的共同作用下，保证阀座的泄漏等级达到ANSI/FCI CLass V。同时，为防止中腔超压，阀座在中腔压力作用下，压缩波纹管，将压力自动泄放到通道内，保证了阀门安全可靠运行。波纹管采用Inconel 625高温合金材料，在正常关闭情况下确保了球体密封面和阀座密封面间的接触，在高温下能有效补偿内件受热膨胀，避免因高温而导致的卡阻。
5)波纹管蒸汽吹扫设计：这一设计可以有效防止介质进入波纹管造成波纹管因结焦而失去弹性，同时也可防止波纹管在除焦过程中因振动而造成对阀座的压紧力不均匀所引起的阀门泄漏。
6)阀腔和填料函蒸汽吹扫设计：对阀腔和填料函进行吹扫，能够阻止渣油结焦或沉积，有效地解决阀门内件因被渣油粘结而造成的无法开启的问题，同时有效保护填料。
7)活载填料设计：在填料压紧螺柱和填料压紧螺母之间设置蝶型弹簧预紧(即活载结构)，高温防结焦球阀在温度和应力交变中，组合填料的预紧力可以得到连续性补偿，从而减少填料因预紧力突然失压从阀杆处泄漏的可能。
8)执行机构的选型：高温防结焦球阀执行机构的选择，需要考虑随着时间的推移，渣油结焦或沉积、温度交变过程中管线膨胀或收缩要求执行机构具有较大的扭矩，推荐确定2.5倍以上的安全系数。
2、高温防结焦球阀的高温热态试验
为确保提供在延迟焦化装置上的高温防结焦球阀的安全可靠性，除对高温防结焦球阀按照API598标准所有常规检查后，包括壳体强度试验和密封性能试验之外。每一台高温防结焦球阀均应在工厂内进行高温热态试验，通过尽可能模拟防结焦球阀的实际工况，检验阀门在高温下的开关动作、吹扫功能、涂层性能，确保阀门在延迟焦化高温工况下的可靠性。详见图2-图3。
图2 高温防结焦球阀安装上线和高温热态试验装置
图3 高温防结焦球阀使用3年后下线维护
3、工业应用
如图2(a)和图3所示，上述所开发的高温防结焦球阀通过工业实际应用，证明其能满足延迟焦化装置工况要求，产品安全可靠，并已经实现批量生产，在延迟焦化装置中与国外品牌相比具有较高的竞争力，可实现替代进口。
