0 概述
PTA(精对苯二甲酸)作为聚酯工业的首选原料,在最近几年得到迅猛发展,截止2012年底我国PTA产能已超过3000万t,装置规模的大型化趋势日渐明显。在PTA工艺装置中,介质自氧化反应器开始多以浆料形态存在于整个反应过程,并采用高腐蚀性的乙酸作为溶剂,同时在一些操作工段会伴随着高温。在高温、高压、强腐蚀性、易黏结、易结晶、频繁开关的严苛工况条件下,PTA装置中绝大部分紧急切断及顺序控制都是依靠耐磨球阀来实现,并且耐磨球阀的材料根据介质腐蚀性的强弱不同,普遍需要选用不锈钢、双相钢、哈氏合金或钛等材质,价格普遍比较昂贵。
目前国内已建或在建的PTA项目中,耐磨球阀主要依赖进口。因此,研制能够满足PTA严苛装置中使用的耐磨球阀,打破国外产品垄断,对于降低PTA装置建设及运行成本,延长装置的使用寿命,提高产品的市场竞争力具有重要意义。
1 PTA装置工况特点
(1)高温:精制反应在280℃以上,氧化反应在180℃以上,尾气处理催化焚烧温度在300℃以上,蒸汽温度更高达350℃以上;
(2)高压:精制反应需要8.0MPa以上的反应压力,物料预热所用蒸汽压力达9.5MPa,氢气压力也在9.0MPa以上;
(3)强腐蚀性:介质中含有各种浓度的乙酸、氢溴酸等腐蚀性介质,同时PTA,粗对苯二甲酸(CTA)等溶解后的化学属性也属酸性;
(4)浆料中含固体颗粒:浆料中的主要物料均为含PTA固体颗粒,阀门在运转过程中容易出现卡涩、密封面磨损和冲刷、阀座弹簧预紧系统失效等故障;
(5)介质黏度大易结晶:PTA介质黏度较大,颗粒容易黏结在密封面上,阀门开关过程容易将球体拉伤,球体表面结晶会造成阀门开启扭矩增大;
(6)频繁开关:紧急切断及顺序控制的耐磨球阀要求开关时间短且频繁动作。
2 耐磨球阀结构特点
(1)自清洁阀座设计:阀座密封面上设置带有锋利刀口的刮削式结构,从而在阀门开关过程中刮削掉球面的黏接物。
(2)防尘设计———“封闭式设计”:防尘设计主要是针对阀座组合件中的弹簧而言的,固定球阀的阀座为浮动结构,预紧力依靠弹簧提供。若颗粒性介质进入弹簧腔,就会导致弹簧失效,阀球与阀座摩擦力矩增加,直至执行机构无法带动阀门,阀门卡死。
(3)球体、阀座的表面及流道进行特殊硬化处理:耐磨球阀在开启和即将关闭的瞬间流速最大,容易造成球体和阀座流道的冲刷。因此将球体和阀座的表面和流道进行喷涂处理,并采用同种喷涂基材,从而保证高温下球体与阀座具有相同的热膨胀系数,提高球体和阀座的抗冲刷能力,延长使用寿命。所喷涂的硬质合涂层根据PTA具体工况灵活选择,从而满足严苛工况要求。
(4)“活载”组合填料设计:阀杆采用组合填料,上下部采用加镍丝的柔性石墨盘根,中间采用模压成型石墨填料,填料压板的紧固螺栓设置蝶型弹簧预紧(即活载结构),在阀门温度和应力交变中,使填料的预紧力得到连续性补偿,杜绝外泄漏发生。
(5)防尘轴承腔设计:采用石墨与轴承组合的预紧轴承腔设计,轴承挤压石墨,使柔性石墨紧贴阀杆及主阀体,有效防止颗粒性物料进入轴承与填料之间的空腔,避免因物料堆积沉淀、挤压阀杆而造成阀杆卡死的故障出现。
(6)气动执行机构的选型:在PTA装置中并不能仅仅依据计算结果来选择执行机构,还需要考虑其他因素的影响。例如浆料类管线安装的阀门需要考虑随着时间的推移物料会黏附在球体表面并结晶,造成阀门开关不到位功能失效,因此气动执行机构的选型对于耐磨球阀至关重要,其安全系数应大于2。
3 阀门设计计算
耐磨球阀的结构图如图1所示。耐磨球阀采用2段式固定球结构,主要由阀体、球体、阀座、上下阀杆、填料函、支架、气动执行机构组成。
1.下阀杆;2.主阀体;3.球体;4.副阀体;5.弹簧;
6.密封圈;7.阀座;8.阀座防尘圈;9.阀杆;10.阀杆防尘圈;
11.填料箱;12.填料;13.蝶型弹簧;14.支架;15.气动执行机构。
图1 耐磨球阀的结构
为了保证阀门的密封性能、开关动作顺畅、应对耐磨球阀密封比压、阀杆扭矩、阀杆扭转强度、中法兰强度进行计算和校核。
3.1 密封比压计算
(1)密封面上工作比压:
计算简图如图2所示:
图2 密封面上工作比压计算简图
式中:q为密封面上工作比压(MPa);p为设计压力;DJH为活塞套筒外径(mm);DMN为阀座密封面内径(mm);D2MW为阀座密封面外径(mm);R为球体内径(mm);h为密封面投影宽度(mm);φ为密封面与球体中心夹角(°)。
(2)密封面上必须比压:qMF,密封面必须比压值根据密封面宽度查《球阀设计与选用》表4-2。
(3)密封面上许用比压:[q];
(4)上述结果满足qMF<q<[q],合格。
3.2 阀杆扭矩计算
M=Mm+MT+Mu+Mc。
式中:M为全压差下启闭扭矩(N•mm);Mm为阀座密封圈对球体摩擦力矩(N•mm);MT我为填料与阀杆间摩擦力矩(N•mm);Mu为止推垫的摩擦力矩(N•mm);Mc为轴承的摩擦力矩(N•mm)。
3.3 阀杆扭转强度
设计时阀杆截面积最小值应在阀杆顶部与驱动机构连接处,即对该处直径d1进行校核。
式中:M为全压差下启闭扭矩(N•mm);WS为断面d1的抗扭断面系数(mm3);[τN]为材料许用扭应力,(MPa)。
3.4 中法兰计算
(1)中法兰厚度计算:
式中:t为中法兰厚度(mm);MP为作用于法兰上总力矩(N•mm);[σL]为材料许用应力(MPa);C为螺栓孔中心圆直径(mm);
(2)中法兰螺栓验算
式中:PC为压力额定值磅级数,如CL•150,则Pc=150;CL•300,则PC=300,依此类推;Ag为垫片外径或O形圈外径面积或者环连接中径面积;Ab为螺栓抗拉应力总面积;K1为系数,65.26MPa;Sa为38℃时螺栓许用应力,当Sa≥138MPa时,按照138MPa取值。
(3)中法兰螺栓间距与螺栓直径比计算:
LJ=πD1/(Z•dL)
式中:LJ为螺栓间距与螺栓直径比;D1为螺栓孔中心圆直径(mm);Z为螺栓数量;dL为螺栓直径(mm)。
4 结论
鉴于PTA工艺过程的复杂性、应用工况的严苛性,以及紧急切断及顺序控制的苛刻要求,耐磨球阀必须从阀门结构、球体、阀座及流道的喷涂等方面引起足够的重视,对于采用气动执行机构的耐磨球阀,必须考虑安全系数,从而保证耐磨球阀能够完全满足PTA严苛工况要求,保证其具备卓越的使用性能,并保持长周期稳定运行。本文所研制的PTA装置用耐磨球阀已在国内多个PTA装置上投入使用,证明本研制方案是成熟的,并已经实现规模化生产,在PTA装置中与国外品牌具有较强竞争力,可以实现替代进口。