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焦化塔底閥研制及應(yīng)用

文檔作者：張玉峰梁宗輝劉曉東胡安鐸文檔來源：蘭州石化公司機(jī)械廠		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時間： 2021年08月08日
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文章編號: 100225855 (2009) 0220022204
作者簡介:張玉峰(1967 - ) ,男,總工程師,從事閥門設(shè)計(jì)和研究工作。
焦化塔底閥研制及應(yīng)用
張玉峰,梁宗輝,劉曉東,胡安鐸
(蘭州石化公司機(jī)械廠,甘肅蘭州730060)
　　摘要　介紹了焦化塔底閥在延遲焦化裝置中的應(yīng)用情況及國產(chǎn)焦化塔底閥的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),分析
了焦化塔底閥的設(shè)計(jì)、制造、安裝及使用方法。
　　關(guān)鍵詞　延遲焦化;焦化塔底閥;浮動密封;蒸汽耗量
　　中圖分類號: TH134　　　　文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A
Developmen t and applica tion of bottom unhead ing va lve for coke drum
ZHANG Yu2feng, L IANG Zong2hui, L IU X iao2dong, HU A n2duo
(M achine ry Fac tory of L anzhou Petrochem ical Company, L anzhou 730060, China)
Abstract: This paper p resents the s tructu ral featu res of the dom estica lly developed bottom unheading
va lve for coking d rum as w ell as the app lication rem a rks of the va lve in both hom e and abroad, espe2
cially ce rtain key poin ts on des ign, m anufacturing, ins tallation, and app lication a re deta iled.
Key words:DCU; bottom unheading va lve; f loating sealing; s team consump tion
1　概述
在現(xiàn)代煉油工業(yè)中,焦化過程是提高渣油中輕
質(zhì)油產(chǎn)出率的重要途徑。延遲焦化生產(chǎn)工藝是一個
半連續(xù)化過程,即當(dāng)一個塔內(nèi)焦炭聚結(jié)到一定高度
時進(jìn)行切換,通過四通閥將原料切換進(jìn)另一個焦炭
塔,系統(tǒng)切換后進(jìn)行除焦。原來的塔用汽和水冷卻
焦層至70℃以下開始除焦,除焦前先排放塔內(nèi)殘余
水分,再人工拆除塔底盲蓋,利用從水力切焦器嘴噴
出的高壓水(約30MPa)將焦炭切割下來,除焦結(jié)束
后人工安裝塔底盲蓋。這一過程一般24～48 h循
環(huán)一次,操作繁瑣,輔助操作所需時間長,不易保養(yǎng),
不利于安全及環(huán)保,運(yùn)行成本及維修費(fèi)用高。焦化
塔底閥的應(yīng)用,取代了原有的焦炭塔底盲蓋或塔底
蓋機(jī),減輕了工人勞動強(qiáng)度,縮短了除焦輔助時間
(可適當(dāng)提高除焦溫度,在每個結(jié)焦循環(huán)中,沒有拆
卸、清潔、組裝要求) ,增加了產(chǎn)量,減少了易損件消
耗,改善了除焦的勞動條件。使用焦化塔底閥后,焦
化裝置改造成一個封閉的管線系統(tǒng),使煉油設(shè)備在
結(jié)焦循環(huán)中連續(xù)運(yùn)行。
2　結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
為了取代焦化裝置塔底盲蓋及塔底蓋機(jī),提高
裝置使用的可靠性、安全性及經(jīng)濟(jì)性,焦化塔底閥應(yīng)
具有易操作和易控制的結(jié)構(gòu)型式,高實(shí)用和高可靠
的性能,較少的維修量和使用成本,較低的泄漏量,
承受熱沖擊的能力,完全適應(yīng)進(jìn)料工況及合理的制
造成本。
211　設(shè)計(jì)參數(shù)
設(shè)計(jì)溫度　520℃
使用溫度　500℃
公稱直徑　<1 500mm
設(shè)計(jì)壓力　018MPa
最大操作壓力　0135MPa
有效行程　1 600 mm
行程速度　533～400mm /min
防爆等級　ExdⅡBT4
泄漏量　介質(zhì)零泄漏
與一般高溫平板閘閥相比,焦化塔底閥的通徑
較大( <1 500mm以上) ,泄漏量等級要求高。熱油
在沒有形成焦炭前如果發(fā)生泄漏會發(fā)生火災(zāi),因此
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焦化塔底閥要求達(dá)到介質(zhì)的零泄漏,而普通大口徑
高溫平板閘閥一般允許微量泄漏。為了適應(yīng)工況需
求,閥門密封副必須能夠隨著溫度的升降自動吸收
膨脹與補(bǔ)償收縮,密封副必須為硬面密封,以便在開
閥過程中刮除焦炭。閥門需要與焦炭塔相關(guān)控制參
數(shù)實(shí)現(xiàn)聯(lián)鎖,以確保安全可靠。閥蓋內(nèi)部必須能夠
屏蔽焦炭,即防止焦炭進(jìn)入閥蓋內(nèi)部影響閥門正常
開關(guān)。
212　整體結(jié)構(gòu)
焦化塔底閥(圖1)由上部進(jìn)料段、下部排焦段、
中間閥體(包括密封副等) 、左右閥蓋、中間支架、動
力油缸、液壓油站和邏輯控制箱等組成。
圖1　焦化塔底閥閥體部分結(jié)構(gòu)
　　焦化塔底閥采用平板閘閥形式,結(jié)構(gòu)緊湊,易于
實(shí)現(xiàn)閥門全開狀態(tài)時閥體與閥蓋中腔的密封。國外
的焦化塔底閥一般沒有中間支架,油缸桿起到閥桿
的作用,結(jié)構(gòu)較短,增設(shè)中間支架后總長雖然增加約
1m,但易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械鎖位,并使油缸桿不進(jìn)入閥體
內(nèi),便于更換填料、檢修油缸。
中間閥體的上下閥口均可做為檢修口,檢修時
可不拆卸帶進(jìn)料段的上法蘭。上部進(jìn)料段的法蘭采
用標(biāo)準(zhǔn)型凸凹面或榫槽型結(jié)構(gòu),下部法蘭采用非標(biāo)
準(zhǔn)凸凹面結(jié)構(gòu)的法蘭。上下均可拆卸的法蘭結(jié)構(gòu)便
于加工和安裝,檢修及更換密封元件靈活性較強(qiáng)。
213　密封副
焦化塔底閥密封副由閥板和上下閥座組成,下
閥座為固定結(jié)構(gòu),上閥座為浮動結(jié)構(gòu),可自動吸收膨
脹與補(bǔ)償收縮,保持閥板與閥座間的一定比壓。閥
座總壓力由彈性組件提供,彈性組件數(shù)量為60～65
組,每組由螺柱、螺母、彈簧座、耐高溫碟形彈簧等組
成。彈性元件裝入閥座前先預(yù)壓,預(yù)壓后將螺栓與
螺母點(diǎn)焊防松,裝入動密封圈后繼續(xù)壓縮至所需壓
力。高溫時由于熱膨脹,碟形彈簧壓縮量增加,對動
密封圈壓力也增加。因此閥板與座圈之間的比壓增
大,開閥時由于溫度降低,彈性元件恢復(fù)原有壓縮
量,不影響閥門的開啟力。
工作時閥蓋內(nèi)通蒸汽,蒸汽壓力高于介質(zhì)壓力。
蒸汽通過閥板與座圈間隙泄漏到焦化塔內(nèi),起輔助
密封作用,即蒸汽密封。下閥座上表面安裝的柔性
密封圈是防止蒸汽泄漏到大氣中。填料則是防止介
質(zhì)熱油(未結(jié)焦前)進(jìn)入彈性組件而結(jié)焦,影響彈簧
正常工作。
214　進(jìn)料段結(jié)構(gòu)
焦化塔可以有3種進(jìn)料方式,即垂直進(jìn)料、水平
進(jìn)料及斜向上30°進(jìn)料(圖2) 。在沒有使用焦化塔
底閥之前,進(jìn)料方式一般為垂直進(jìn)料,進(jìn)料效果較
好。針對焦化塔底閥的實(shí)際結(jié)構(gòu),通過采用CFD技
術(shù)模擬計(jì)算了3種結(jié)構(gòu)的進(jìn)料情況。水平進(jìn)料結(jié)構(gòu)
對進(jìn)料管對面的塔壁存在一定程度的沖擊,并且進(jìn)
料分布均勻性低。30°向上進(jìn)料除焦時易發(fā)生堵塞
的問題。周向進(jìn)料容易實(shí)現(xiàn)良好的進(jìn)料分布,但模
擬顯示,周向進(jìn)料時現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的4個支管流速不均
勻,特別是最遠(yuǎn)端的支管與進(jìn)料總管存在短路現(xiàn)象。
基于對各種進(jìn)料方式的分析并參照國外成熟經(jīng)驗(yàn),
選擇了斜向上30°進(jìn)料方式。
215　焦炭屏蔽結(jié)構(gòu)
焦化塔底閥在開閥的過程中大量吹掃蒸氣通過
閥板開口溢出,壓力減小,不足以阻止塔內(nèi)焦炭粉末
或顆粒進(jìn)入閥蓋中腔(圖3) 。當(dāng)閥蓋內(nèi)存積大量焦
炭粉末或顆粒后,就會影響閥門正常開關(guān)動作,因
此,設(shè)計(jì)焦炭屏蔽罩(圖4) ,防止焦炭粉末進(jìn)入閥蓋
中腔。
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( a)斜向上30°　( b)水平　( c)垂直
圖2　進(jìn)料方式
11閥蓋　21閥體　31進(jìn)料段　41閥板
圖3　開閥過程中密封蒸汽大量泄漏
11閥蓋　21焦炭屏蔽罩　31閥體　41閥板
圖4　焦炭屏蔽罩安裝位置及結(jié)構(gòu)
　　屏蔽罩固定在閥體上。在開閥瞬間,允許蒸汽
通過的間隙很小,蒸汽耗量沒有明顯增大,保證了蒸
汽的壓力,阻止了焦炭粉末或顆粒向閥蓋中腔的泄
漏。
216　控制裝置
焦化塔底閥采用電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)如
表1所示。控制油站為單泵、一站兩閥及泵控方案。
電氣邏輯控制箱采用繼電器邏輯控制,主要是把焦
化塔底閥與塔頂溫度、塔頂壓力等工藝參數(shù)進(jìn)行邏
表1　電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)
條件參數(shù)
全行程時間(開、關(guān)) ≤4m in
防爆等級dⅡB T4
行程1 600mm
防護(hù)等級不低于IP54
輯聯(lián)鎖, 實(shí)施控制室和現(xiàn)場操作站兩級授權(quán)操作,
確保焦化塔底閥操作安全可靠。
3　設(shè)計(jì)計(jì)算
311　總密封力
根據(jù)文獻(xiàn)〔1〕計(jì)算, 當(dāng)PN = 016M Pa時, 對
于鋼和硬質(zhì)合金密封面, 寬度bm = 20～25mm 時,
密封比壓Qm f = 218M Pa。另外, 其他粘性介質(zhì)的液
體在溫度超過100℃時比壓增加至114倍(對于蒸
汽工況也相同) , 并考慮實(shí)際密封面寬度的影響,
采用總密封力相等的原則推算出的密封比壓Qm f ′作
為該閥的密封比壓設(shè)計(jì)值。
即
Qm f ′=
S ×Qm f ×114
S1
式中　S———密封面面積( bm = 25mm 時) , mm2
S1 ———實(shí)際密封面面積, mm2
312　方法蘭螺栓強(qiáng)度驗(yàn)算
閥蓋方法蘭螺栓的強(qiáng)度驗(yàn)算是焦化塔底閥的設(shè)
計(jì)重點(diǎn)。因?yàn)樵诟邷貢r, 螺栓的許用應(yīng)力明顯降
低, 特別是初加溫時, 必須考慮由于溫度差造成的
應(yīng)力。
當(dāng)介質(zhì)溫度達(dá)500℃操作溫度時, 密封蒸汽對
殼體起冷卻作用(密封蒸汽壓力0145M Pa) 。設(shè)蒸
汽溫度250℃, 按300℃得溫度差(初加溫時) 為
20℃, 法蘭溫度為250 ×0154 = 125℃, 螺栓溫度
為125 - 20 = 105℃, 〔σL 〕300℃ = 220M Pa。中低壓
閥門初加溫時, 螺栓計(jì)算載荷
QL Z ′=QL Z +Qt ′
式中　QL Z ———常溫時螺栓計(jì)算載荷, N
Q t ′———初加溫時螺栓溫度變形力, N
Q t ′=
Δt′αL
L
FL EL
+
δD
P
FD P ED P
Δt′———為初加溫時溫度差, ℃
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α———材料線脹系數(shù), 1 / ℃
L ———螺栓計(jì)算長度, mm
FL ———螺栓總截面積, mm2
EL ———螺栓材料彈性模量, M Pa
δD
P ———墊片厚度, mm
FD P ———墊片面積, mm2
ED P ———墊片材料彈性模量, M Pa
常溫下螺栓計(jì)算載荷為操作溫度下總作用力
Q ′或最小預(yù)緊力Q ″中較大值。
Q ′=QDJ +QD F +QD T +QFZ ′+Q附加
Q ″=πDD PBN qYJ KD P
式中　QDJ ———墊片處介質(zhì)作用力, N
QD F ———墊片上摩擦力, N
QD T ———墊片彈性力, N
QFZ ′———關(guān)閉時閥桿總軸向力, N
Q附加———因執(zhí)行機(jī)構(gòu)、支架閥蓋等自重產(chǎn)生
的載荷, N
DD P ———墊片平均直徑, mm
BN ———墊片有效寬度, mm
qYJ ———密封面預(yù)緊比壓, M Pa
KD P ———形狀系數(shù)
因此, 螺栓應(yīng)力
QL =
QL Z ′
FL
中低壓閥門高溫時載荷QL Z ″為
QL Z ″=QL Z +Qt ″
式中　Qt ″———常溫時螺栓溫度變形力, N
Qt ″=
Δt″αL
L
FL EL
+
δD
P
FD P ED P
Δt″———高溫時溫度差, ℃
313　填料壓緊力
在設(shè)計(jì)焦化塔底閥填料函時, 需計(jì)算填料壓緊
總力, 以此作為設(shè)計(jì)填料壓蓋螺栓的依據(jù)。壓緊填
料的必須比壓q為
q =ψp
式中　q———必須比壓, M Pa
p ———工作壓力, M Pa
ψ———軸間比壓系數(shù)(按石棉填料考慮ψ =
3165)
填料壓緊總力為
QYT = sq =
π (D2 - d2 )
4
q
4　安裝
延遲焦化裝置焦化塔下法蘭不能夠承載質(zhì)量近
40 t的焦化塔底閥, 因此需要考慮支撐問題。另外,
由于焦化塔受熱時會發(fā)生軸向膨脹現(xiàn)象, 因此, 必
須有彈性元件高溫時吸收膨脹, 降溫時補(bǔ)償收縮。
根據(jù)焦化塔裙座到閥板的距離及15C rM o等材料的
線膨脹率, 可計(jì)算出500℃時系統(tǒng)的膨脹量, 按閥
體總重及膨脹量的計(jì)算值, 制作了可調(diào)式彈簧吊掛
(圖5) , 每個彈簧吊掛最大可承載14 t, 壓縮量超
過50mm。
另外, 安裝時, 需要接蒸汽管線、調(diào)節(jié)閥、疏
水閥、壓力表及手動閘閥等以確保密封蒸汽壓力的
準(zhǔn)確及排凝的順暢。
蒸汽吹掃系統(tǒng)既能提供閥體和閥座上的蒸汽伴
熱, 及進(jìn)料生焦對閥座和閥板間密封的隔離, 提高
其密封可靠性, 又能在除焦時阻止焦水和焦粉進(jìn)入
閥蓋內(nèi)部。
圖5　吊點(diǎn)位置
5　結(jié)語
焦化塔底閥在設(shè)計(jì)過程中, 充分考慮了材料的
熱脹冷縮特性, 在不同溫度下使密封面的比壓保持
在合理的范圍內(nèi), 閥門密封性能更加可靠。考慮了
由于溫度差給緊固件帶來的附加應(yīng)力, 并且避免了
(下轉(zhuǎn)第38頁)
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AutoCAD中,對話框設(shè)計(jì)一般采用DCL 語言,但由
于DCL語言不是可視化編程語言,在形成復(fù)雜界面
和使用數(shù)據(jù)庫關(guān)聯(lián)組件的時候顯得力不從心。而
Delphi豐富的可視化編程工具和強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫關(guān)聯(lián)
組件,使這部分工作變得輕松和有效。
操作界面主要分為法蘭結(jié)構(gòu)生成界面和法蘭參
數(shù)維護(hù)界面。
在法蘭結(jié)構(gòu)生成界面中, 用戶確定“材料大
類”、“標(biāo)準(zhǔn)類型”、“法蘭類型”、“密封面”、“壓力等
級”,系統(tǒng)將自動顯示法蘭亞元圖,并與數(shù)據(jù)庫實(shí)時
通訊,在參數(shù)列表中實(shí)時反映符合要求的法蘭結(jié)構(gòu)
數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)交互式對話操作,根據(jù)所編輯參數(shù),可以
直接參數(shù)化生成所需法蘭結(jié)構(gòu)圖形。
法蘭參數(shù)維護(hù)界面,主要用于參數(shù)維護(hù),特別是
非標(biāo)結(jié)構(gòu)的自定義操作和未納入的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)擴(kuò)充,
普通用戶借此可以建立自己的法蘭結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫,系
統(tǒng)將自動將其接入法蘭結(jié)構(gòu)生成界面,在操作上具
有完全相同的形式。但在數(shù)據(jù)納入前,要合理歸類,
以方便設(shè)計(jì)時的數(shù)據(jù)檢索。
界面設(shè)計(jì)時要充分考慮系統(tǒng)的友好與容錯,要
有一定的提示與警告設(shè)置,并注意界面美觀合理。
6　結(jié)語
采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)方法來解決繁雜的法蘭結(jié)
構(gòu)設(shè)計(jì)問題是一次有益的嘗試,開發(fā)過程中要注意
開發(fā)環(huán)境、開發(fā)工具的合理選擇,數(shù)據(jù)的組織,程序
結(jié)構(gòu)和界面設(shè)計(jì)是其中的關(guān)鍵,集成的工作環(huán)境,穩(wěn)
定的性能和開放的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可以大大提高系統(tǒng)在工
程應(yīng)用中的實(shí)用性和適應(yīng)性。
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(收稿日期: 2008101108)
(上接第25頁)
開閥過程中,焦炭粉末大量進(jìn)入閥蓋中腔,同
時設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)了本設(shè)備與其相關(guān)閥門的邏輯
聯(lián)鎖,提高了安全性。在開工初期,由于受交
變溫度的影響,許多法蘭連接螺栓均出現(xiàn)松
動現(xiàn)象,需定期預(yù)緊。增加預(yù)緊碟簧后,效果
較好。閥門于2008年7月投入使用至今,狀
況良好,未發(fā)生故障。
參考文獻(xiàn)
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(上接第28頁)
變形量,由于受螺栓安裝預(yù)緊力的限制,增加
的余量不多,可考慮通過設(shè)置碟形彈簧墊片
來進(jìn)行補(bǔ)償。
4　結(jié)語
低溫閥門與通用閥門在設(shè)計(jì)、制造和檢
驗(yàn)方面有很大的差別,尤其是低溫閥門密封
材料選用和密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)更為復(fù)雜。因此
在設(shè)計(jì)低溫閥門時,除了遵守閥門的一般設(shè)
計(jì)規(guī)則外,還必須根據(jù)介質(zhì)特性和最低工作
溫度選用合適的密封材料,并盡可能采用柔
性密封結(jié)構(gòu),使低溫所造成的不利影響得到
有效補(bǔ)償。在精加工前,對所有低溫金屬材
料必須進(jìn)行深冷處理,使材料低溫變形最小。
對新設(shè)計(jì)的低溫閥門必須經(jīng)過常溫試驗(yàn)和低
溫試驗(yàn)的驗(yàn)證。
參考文獻(xiàn)
〔1〕　楊源泉. 閥門設(shè)計(jì)手冊〔M〕. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社,
1992.
〔2〕　H. T. 洛馬寧柯等. 低溫閥〔M〕. 北京:機(jī)械工業(yè)出版
社, 1986.
〔3〕　徐烈等. 低溫容器設(shè)計(jì)、制造與使用〔M〕. 北京:機(jī)械
工業(yè)出版社, 1987.
〔4〕　王立興,等. 低溫半靜密封技術(shù)〔J〕. 低溫工程, 2003
(1) , 29 - 35.
〔5〕　BS 6364: 1984,低溫閥門〔S〕.
〔6〕　JB /T 7749 - 1995,低溫閥門技術(shù)條件〔S〕.
(收稿日期: 2009101116)
— 38 — 　　　　　　　　　　　　　　　　閥 　　　門 　　　　　　　　　　　　　　2009年第 2期

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