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氯環境用閥門及其材料的選擇

發布時間:2019-10-28 點擊次數:4415次

  概述

  氯氣作為氯堿化工的重要原料,用途極其廣泛。盡管氯氣為非易燃介質,但如同氧氣一樣,氯氣對某些物質的燃燒具有助燃作用,許多有機化學品極易和氯發生反應,有時還會發生強烈的爆炸。當氯氣的濃度超過嗅覺的閾值時,隨著接觸時間的延續及濃度的增加,可能會因為窒息而導致死亡。而在濕氯環境,氯氣和水會生成鹽酸對閥門產生腐蝕。因此氯氣環境用閥門的安全性要求極高,對閥門的結構、材料、試驗及包裝等提出了更為嚴格的要求。

  2 氯氣常用閥門類型

  2. 1 截止閥

  截止閥由于屬于強制密封閥,并且閥腔中不會滯留介質、閥桿為防飛出結構、填料壓蓋可調節、密封面可以堆焊司太立或鑲嵌 PTFE,因此,干氯工況常選用截止閥。

  但需要注意的是填料函結構的設計,因為氯介質可能由閥桿處逸散性泄漏并與潮濕空氣發生反應,造成對閥桿的腐蝕。為此,可采用波紋管結構或者將填料函加長并且使用石墨填料或者聚四氟乙烯填料,閥桿使用哈氏合金 C -276 和 C22 材料,采取這些措施可延長干氯環境下截止閥的使用壽命。

  2. 2 球閥

  球閥可實現緊急關斷,并且在全開時可提供小的流阻,而且比相同尺寸的旋塞閥容易操作,由于球閥是部分回轉設計,因而更有利于閥桿處的密封。

  干氯環境用球閥應該用防飛出閥桿結構,并且填料處永久可調,盡管氟橡膠 O 型圈會用來做外部次級密封,但是推薦使用 PTFE 做主密封材料。美國氯氣協會出版物中要求干氯環境的球閥需有防靜電裝置,用來保證閥桿和閥體之間的電連續性。

  用于液氯環境的球閥設計必須考慮超壓情況,當閥門關閉時,截留在閥門中腔的液氯會持續揮發,當揮發釋放的氣體壓力達到一定程度可能造成閥門承壓邊界失效,為解決這一問題,球體上應開有泄壓孔并使其指向高壓端,或者采用自動泄放單活塞型(SPE)閥座。無論采用哪種泄壓結構,閥體上必須注明壓力方向標識,箭頭指向低壓端,箭尾為高壓端即泄壓方向。

  2. 3 旋塞閥

  旋塞閥可以滿足氯介質工況并且使用狀況良好,但是也同樣存在缺點。旋塞閥啟閉時操作轉矩需要平衡,并且密封性不好,與球閥一樣,旋塞閥也能提供緊急密封,部分回轉的結構使得閥門能夠獲得比直行程閥門更好的閥桿密封設計。旋塞閥的閥桿是防飛出設計而且填料可調節,通常密封材料為PTFE。

  旋塞閥通常為縮頸,與球閥一樣,在關閉時會使內腔滯留氯介質,所以,旋塞體也要在高壓方向上留有泄放孔。

  2. 4 軟密封高性能蝶閥

  在氯介質中,也可以用軟密封高性能蝶閥,尤其是大口徑場合,但這種閥門和 API 609 全襯蝶閥的結構還是有所區別。氯環境軟密封高性能蝶閥的填料壓蓋應設計成可調節結構,閥座應設計成一體式唇形密封結構。

  軟密封高性能蝶閥可提供緊急關斷功能,閥桿為部分回轉,使得閥門填料密封相對于多回轉閥門有了更長的使用壽命。

  2. 5 全襯氟塑料蝶閥

  全襯氟塑料蝶閥在干性和濕性氯環境中均適用,因為所有內件都襯有聚四氟乙烯,所以閥門的金屬部分都不會與介質接觸,全襯蝶閥的閥桿應設計成防飛出結構。

  全襯蝶閥可提供緊急關斷功能,閥桿為部分回轉,使得閥門填料密封相對于多回轉閥門有了更長的使用壽命。

  全襯聚四氟乙烯閥座的彈性由其下邊的一層氟橡膠實現,這層氟橡膠不與介質接觸。

  2. 6 偏心半球閥

  這種閥門和傳統的球閥有很大區別,當閥門關閉時其中腔不會滯留介質。閥座材料的選擇及其緊急關斷特性由實際應用確定,該閥門在氯環境中通常用做調節閥。

  2. 7 全襯球閥

  全襯球閥在干性和濕性氯環境中均適用,因為所有內件都襯有 PTFE,所以閥門的金屬部分不會與介質接觸,該閥門可提供緊急關斷功能,閥桿為部分回轉,這樣使得閥門填料密封相對于多回轉閥門有了更長的使用壽命。全襯球閥的閥桿應具有防飛出功能,填料壓蓋應設計成可調結構。填料通常選用PTFE。

  全襯球閥只能應用于氣體介質。因為一旦用于液氯環境,滯留在閥腔中的液氯介質持續揮發所引起的超壓情況由于無法泄壓而可能導致中腔承壓邊界失效,進而影響閥門安全運行。

  2. 8 軌道球閥

  這種閥門綜合了強制密封截止閥和全通徑球閥的特點,介質不會在關閉過程中滯留在中腔內。軌道球閥采用控軌螺栓和閥桿導向槽控制球體使其按設計軌跡旋轉及升降,實現閥門的無摩擦開啟和關閉,保證閥門低扭矩操作和長期可靠性。

  2. 9 襯里旋塞閥

  襯里旋塞閥在干性和濕性氯環境中均適用,可提供緊急關斷功能,閥桿為部分回轉,這樣使得閥門填料密封相對于直行程閥門有了更長的使用壽命。

  襯里旋塞閥應設計成旋塞和閥桿一體式防飛出閥桿結構,填料壓蓋應具有可調節功能,填料通常為聚四氟乙烯。

  襯里旋塞閥通常為縮頸,與球閥一樣,在關閉時會使介質滯留在閥腔,所以,旋塞體要在高壓方向上開有泄放孔。

  3 氯環境閥門選型需要考慮的因素

  選擇氯環境應用閥門時,除了考慮流量因素外,還應考慮以下因素。

  3. 1 交變溫度工況

  在溫度經常大幅度變化的工況,一些特殊閥桿密封結構及填料結構,應考慮選用波紋管或者活載荷填料。

  3. 2 密封方向

  如果工況要求雙向密封,應避免選用單向密封的閥門。

  3. 3 環境溫度

  在選擇材料時,應注意考慮環境溫度和工藝溫度。

  3. 4 濕氯環境的潛在風險

  當閥門應用干氯環境但有潛在的濕氯環境時,或者金屬部件已經被腐蝕的情況下,選擇材料應尤其慎重,例如,大部分的全襯旋塞閥和球閥的承壓件都是球墨鑄鐵,球墨鑄鐵可用在Ⅰ級工況下。但是對該級別來說,閥體和閥蓋的材料選擇必須按照閥門材質選擇指南的規定,另外,閥門部件材質的選擇必須夠滿設計壓力和設計溫度。

  3. 5 節流

  用于節流的閥門必須能夠適應由高壓差所產生的低溫工況,當選擇閥門時,必須考慮所有可能產生低溫度下的工況。

  閥門的設計必須保證不會發生閃蒸和氣蝕,這就需要變更內件和更改流道尺寸來實現。

  3. 6 固體雜質和異物的潛在威脅

  在某些工況下,干氯環境可能出現固體雜質,從而影響閥門的密封性能。所以閥門的類型和部件材料必須要考慮進去。

  在特殊情況下,氯化鐵和硫酸銨聚合物可能在閥門內腔聚集,例如截止閥的閥瓣。為了防止這些顆粒聚合,建議對閥門定期吹掃以去除這些聚合物。

  如果清掃時間間隔過長,聚合物會在閥門上硬化,使閥門失去緊急關斷的功能。即使閥門長時間未清掃,但經過多次清掃后聚合物仍然可以被清掃而保證閥門的關斷。

  3. 7 氯離子腐蝕

  承受應力腐蝕的閥門部件,或者因為泄漏而暴露于腐蝕環境的閥門部件,包括閥桿、閥瓣、緊固件和彈簧墊圈,都不能用 300 系列不銹鋼。

  4 干氯環境用閥門及材料選擇、測試和包裝要求

  4. 1 閥門選擇

  表 1 給出了適用于干氯環境選擇閥門的要求。在特定工況下選用非表中推薦的其他類型閥門時,應該在樣品經過測試合格后并有可查的使用記錄才可以使用,以保證系統安全運行。

  4. 2 干氯環境用閥門材料的選擇

  表 2 中所列的材料經實踐證明適用于干氯環境,在對干氯環境應用閥門選材時可以參考,但并不意味著適用于氯介質的非表列材料不能使用,選材時高等級材料可代替低等級材料。

  4. 3 閥門測試

  每臺閥門必須按照 API 598 進行性能試驗,殼體強度試驗按 1. 5 倍 38℃ 下壓力溫度額定值進行試驗,正負偏差不超過 25psig。用于干氯環境的閥門必須進行密封試驗,試驗介質嚴禁用液體,必須用惰性氣體或者空氣,在保壓期間無泄漏。

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  4. 4 清潔和包裝

  所有的金屬閥門必須進行脫脂、特殊清洗及干燥處理。閥門潤滑應選用與氯具有相容性的潤滑脂,這樣才能使閥門適用于氯環境中,閥門包裝必須保證濕氣不能進入閥體中。在閥門安裝到管道上之前,用戶應該注意保證包裝的完整性。

  全襯閥門的部件必須經過脫脂、特殊清洗及干燥處理后方可進行裝配,以滿足氯環境的使用要求,在經過壓力試驗之后,旋塞閥、球閥和截止閥應該解體重新對部件進行清洗和干燥,以去除腔體內的水分。全襯蝶閥則無需這樣操作,但也應該清洗和干燥。閥門試驗后應將閥門包裝完好以保護襯里和內件,襯里閥門不必進行防止濕氣腐蝕內件的密封包裝。如果干燥工作沒有做好,非襯里的金屬閥門會被腐蝕。保護襯里閥門的關鍵是保證內腔和法蘭面的干凈和干燥,并且一直持續到閥門安裝前,即便在安裝前,閥門還有可能在現場進行一次清洗和干燥處理。

  5 結語

  用于干氯環境中的閥門類型主要有截止閥、球閥、旋塞閥和蝶閥。應用在氯環境的閥門不同于普通工況的閥門,每種閥門都需要針對干氯環境進行特殊結構設計。氯環境閥門結構及材料都有特殊要求,是一種特殊設計的產品,必須引起制造商、供應商、安裝公司和操作者足夠的重視,使得閥門能夠滿足氯環境運行的條件,保證閥門安全可靠運行。


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