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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(lái)源：蘭州石化公司機(jī)械廠		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2021年08月08日
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文章編號(hào): 100225855 (2009) 0220022204
作者簡(jiǎn)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(guó)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(dòng)密封;蒸汽耗量
　　中圖分類號(hào): TH134　　　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(guò)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(gè)
半連續(xù)化過(guò)程,即當(dāng)一個(gè)塔內(nèi)焦炭聚結(jié)到一定高度
時(shí)進(jìn)行切換,通過(guò)四通閥將原料切換進(jìn)另一個(gè)焦炭
塔,系統(tǒng)切換后進(jìn)行除焦。原來(lái)的塔用汽和水冷卻
焦層至70℃以下開(kāi)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(lái),除焦結(jié)束
后人工安裝塔底盲蓋。這一過(guò)程一般24～48 h循
環(huán)一次,操作繁瑣,輔助操作所需時(shí)間長(zhǎng),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(dòng)強(qiáng)度,縮短了除焦輔助時(shí)間
(可適當(dāng)提高除焦溫度,在每個(gè)結(jié)焦循環(huán)中,沒(méi)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(dòng)條件。使用焦化塔底閥后,焦
化裝置改造成一個(gè)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(jí)　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(jí)要求高。熱油
在沒(méi)有形成焦炭前如果發(fā)生泄漏會(huì)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(dòng)吸收
膨脹與補(bǔ)償收縮,密封副必須為硬面密封,以便在開(kāi)
閥過(guò)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(kāi)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(dòng)
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(kāi)狀態(tài)時(shí)閥體與閥蓋中腔的密封。國(guó)外
的焦化塔底閥一般沒(méi)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(zhǎng)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(shí)
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(dòng)結(jié)構(gòu),可自動(dòng)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(dòng)密封圈后繼續(xù)壓縮至所需壓
力。高溫時(shí)由于熱膨脹,碟形彈簧壓縮量增加,對(duì)動(dòng)
密封圈壓力也增加。因此閥板與座圈之間的比壓增
大,開(kāi)閥時(shí)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(kāi)啟力。
工作時(shí)閥蓋內(nèi)通蒸汽,蒸汽壓力高于介質(zhì)壓力。
蒸汽通過(guò)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(méi)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(duì)焦化塔底閥的實(shí)際結(jié)構(gòu),通過(guò)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(duì)進(jìn)料管對(duì)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(shí)易發(fā)生堵塞
的問(wèn)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(shí)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的4個(gè)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(duì)各種進(jìn)料方式的分析并參照國(guó)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(kāi)閥的過(guò)程中大量吹掃蒸氣通過(guò)
閥板開(kāi)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(huì)影響閥門正常開(kāi)關(guān)動(dòng)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(kāi)閥過(guò)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(kāi)閥瞬間,允許蒸汽
通過(guò)的間隙很小,蒸汽耗量沒(méi)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?？刂朴驼緸閱伪?、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(shí)間(開(kāi)、關(guān)) ≤4m in
防爆等級(jí)dⅡB T4
行程1 600mm
防護(hù)等級(jí)不低于IP54
輯聯(lián)鎖, 實(shí)施控制室和現(xiàn)場(chǎng)操作站兩級(jí)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(shí), 對(duì)
于鋼和硬質(zhì)合金密封面, 寬度bm = 20～25mm 時(shí),
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(guò)100℃時(shí)比壓增加至114倍(對(duì)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(shí)) , 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(shí), 螺栓的許用應(yīng)力明顯降
低, 特別是初加溫時(shí), 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(shí), 密封蒸汽對(duì)
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(shí)) 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(shí), 螺栓計(jì)算載荷
QL Z ′=QL Z +Qt ′
式中　QL Z ———常溫時(shí)螺栓計(jì)算載荷, N
Q t ′———初加溫時(shí)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(shí)溫度差, ℃
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α———材料線脹系數(shù), 1 / ℃
L ———螺栓計(jì)算長(zhǎng)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(shí)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(shí)載荷QL Z ″為
QL Z ″=QL Z +Qt ″
式中　Qt ″———常溫時(shí)螺栓溫度變形力, N
Qt ″=
Δt″αL
L
FL EL
+
δD
P
FD P ED P
Δt″———高溫時(shí)溫度差, ℃
313　填料壓緊力
在設(shè)計(jì)焦化塔底閥填料函時(shí), 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(wèn)題。另外,
由于焦化塔受熱時(shí)會(huì)發(fā)生軸向膨脹現(xiàn)象, 因此, 必
須有彈性元件高溫時(shí)吸收膨脹, 降溫時(shí)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(shí)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(gè)彈簧吊掛最大可承載14 t, 壓縮量超
過(guò)50mm。
另外, 安裝時(shí), 需要接蒸汽管線、調(diào)節(jié)閥、疏
水閥、壓力表及手動(dòng)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(duì)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(shí)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(yǔ)
焦化塔底閥在設(shè)計(jì)過(guò)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?？紤]了
由于溫度差給緊固件帶來(lái)的附加應(yīng)力, 并且避免了
(下轉(zhuǎn)第38頁(yè))
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AutoCAD中,對(duì)話框設(shè)計(jì)一般采用DCL 語(yǔ)言,但由
于DCL語(yǔ)言不是可視化編程語(yǔ)言,在形成復(fù)雜界面
和使用數(shù)據(jù)庫(kù)關(guān)聯(lián)組件的時(shí)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(kù)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(jí)”,系統(tǒng)將自動(dòng)顯示法蘭亞元圖,并與數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)時(shí)
通訊,在參數(shù)列表中實(shí)時(shí)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(duì)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(kù),系
統(tǒng)將自動(dòng)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(shí)的數(shù)據(jù)檢索。
界面設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮系統(tǒng)的友好與容錯(cuò),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(yǔ)
采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)方法來(lái)解決繁雜的法蘭結(jié)
構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題是一次有益的嘗試,開(kāi)發(fā)過(guò)程中要注意
開(kāi)發(fā)環(huán)境、開(kāi)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(kāi)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。
參考文獻(xiàn)
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出版社, 2003.
〔3〕　張清明. 常用國(guó)內(nèi)外鋼制管法蘭標(biāo)準(zhǔn)〔J〕. 閥門, 2006, (1) .
〔4〕　羅軍,等譯. AutoCAD 2004寶典〔M〕. 北京:電子工業(yè)出版社,
2004.
(收稿日期: 2008101108)
(上接第25頁(yè))
開(kāi)閥過(guò)程中,焦炭粉末大量進(jìn)入閥蓋中腔,同
時(shí)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(kāi)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(dòng)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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(收稿日期: 2009101119)
(上接第28頁(yè))
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(guò)設(shè)置碟形彈簧墊片
來(lái)進(jìn)行補(bǔ)償。
4　結(jié)語(yǔ)
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(shí),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(duì)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(duì)新設(shè)計(jì)的低溫閥門必須經(jīng)過(guò)常溫試驗(yàn)和低
溫試驗(yàn)的驗(yàn)證。
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(收稿日期: 2009101116)
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