PTA装置氢溴酸强腐蚀用高温耐磨硬密封球阀的研究与设计

    一、前言

    PTA是化纤等工业的重要有机原料之一。随着石油化工业的发展，PTA被广泛用于化学纤维、轻工、电子、建筑等国民经济的各个方面。PTA装置用的耐蚀、耐磨损、高温硬密封球阀的工作介质为醋酸且含少量氢溴酸、对苯二甲酸浆料，工作温度为200℃。因此，介质具有强烈的腐蚀性，颗粒硬度高磨损及冲蚀强等特点。由于普通软密封球阀的阀座一般采用聚四氟乙烯（PTFE），增强型聚四氟乙烯（RPTFE）或其他高分子合成材料，使用温度一般都不高于180℃。并且使用介质中一般不允许带有坚硬的固体颗粒或纤维成分，否则软密封阀门的阀座就会划伤而使密封失效。这就限制了普通软密封球阀在PTA装置中的应用。而醋酸和氢溴酸具有超强腐蚀性，一般不锈钢等材料难以抗其腐蚀，而只有哈氏合金C—276（HastelloyC—276）才能抗醋酸和氢溴酸的超强腐蚀性。目前满足此类装置条件的硬密封球阀大部分依赖国外进口。

    二、结构特点

    根据PTA装置条件，适用于高温、高压、强腐蚀性以及含对二甲酸浆料颗粒等介质的新型硬密封球阀应具有如下特点：

    （1）耐高温能长期工作在不低于450℃的高温状态下，适用于大多数高温工况条件要求。

    （2）耐高压能在压力级不低于CL600的工况下长期工作。

    （3）耐腐蚀能满足抗醋酸和氢溴酸的强烈腐蚀性能。

    （4）耐磨损能满足对苯二甲酸浆料等（浆料中固体颗粒硬度为52HRC）特殊介质的耐磨性要求。

    （5）双向密封能保证阀门的双向密封，使阀门的密封性能得到提高。同时也保证了介质逆向流动时的密封性能，为防止介质倒流提供了必要的保障。

    （6）耐冲蚀阀座选用了Ni-Cr-Mo系列的耐腐蚀性能极佳的哈氏C（HastelloyC）镍基合金，它含有极低的碳和硅，具有良好的耐腐蚀性；球体选用了沉淀硬化Ni-Cr-Fe耐腐蚀性能好、强度和硬度高的英康乃尔镍基合金。它的硬度系数高，耐磨性好。由于所选密封材料之间的合适硬度差和密封结构的设计，保证了阀门的使用寿命。

    三、技术难点

    相对普通的硬密封球阀来说，PTA装置用硬密封球阀要适用于高温、高压、强腐蚀、强冲蚀等工况条件，在设计和制造过程中存在不少技术难点。

    （1）密封比压高PTA装置用高温耐腐蚀耐磨硬密封球阀由于采用金属材料为密封面，所需要的密封比压比软密封要求高得多，因此，如何从设计上保证适当的密封比压，提高零件的几何公差及提高表面粗糙度要求是十分重要的。

    （2）保障自洁功能固体颗粒黏附在球体上，在阀门启闭过程中，介质颗粒被带到阀座与球体密封面之间，破坏了球体与阀座之间的密封副，从而影响了阀门的密封性能，使阀门的使用寿命大大缩短。这就要求阀门的阀座与球体间，阀座具有“刀口”功能，在运行中可以将黏附在球体上的浆料颗粒沉淀硬化物质“刮削”掉，即要求该球阀具有很好的“自清洁”功能，从而保证球体和阀座密封副不被破坏。

    （3）加工难由于PTA装置用高温耐腐蚀、耐磨硬密封球阀的密封表面均采用超硬材料，用普通刀具无法加工，即使能加工其加工精度也不能满足要求，同时还要求加工设备具有足够的强度，因此选择合适的刀具非常重要。

    四、问题解决方法

    根据上述技术难点，要设计和制造出相应PTA装置用高温耐腐蚀耐磨硬密封球阀，就必须有切合实际的可行性解决方法。

    （1）阀座弹簧补偿结构由于采用金属材料作为密封面，所需密封比压比软密封要高得多，从结构设计上保证提供密封比压显得尤为重要。所以采用“弹簧+阀座”的组合阀座结构，通过弹簧提供初始预紧密封比压。阀座外径装有特殊材质的O形耐高温的密封圈，阀座与阀体阀座孔动配合，使浮动阀座有活塞效应，在弹簧预紧力的作用下使两边阀座紧紧地抱紧球心，达到进口、出口双向及低压、高压均可密封的效果，并可做到零泄漏。阀座密封面设计成梯形环面，可以极好地阻止固体颗粒进入阀座后面的弹簧，而使弹簧始终能正常的工作，因而保证了球体与阀座之间的良好密封。

    （2）密封副配对材料密封副配对材料的选择直接关系到阀门的性能，使用寿命和操作扭矩。根据热处理条件以及机加工手段，阀座选用了Ni-Cr-Mo的耐腐蚀性能极佳的哈氏C（HastelloyC）镍基合金，它含有极低的碳和硅，具有良好的耐腐蚀性。球体选用了沉淀硬化Ni-Cr-Fe耐腐蚀性能好、强度和硬度高的英康乃尔镍基合金。它的硬度系数高。由于所选密封材料之间的合适硬度差和密封结构的设计，使得该球阀具有良好的密封性能，耐腐蚀、耐高温、耐磨损，启闭轻松，使用寿命长。同时还解决了由于频繁开启而造成密封面之间的磨损。

    五、采取的技术方案

    PTA用哈氏C合金（HastelloyC）耐腐蚀、高温、耐磨球阀，包括左右体、中体、球体、阀座、阀杆、密封圈、底盖、前盖及传动装置，其阀座密封形式选用了一种楔式带有哈氏C合金的金属丝成型柔性石墨密封环。高温耐磨硬密封球阀如下图所示。阀座设计成梯形环面，阀门为全通径，三件式固定球，法兰螺栓连接，阀体和球体通道为同一中心线，阀门的密封形式为线密封，阀座为浮动阀座，双重密封。

PTA装置用抗氢溴酸高温耐磨硬密封球阀

    六、结语

    PTA装置用高温耐腐蚀耐磨硬密封球阀成功地应用于重庆蓬威石化PTA装置，替代了进口产品，满足了其工况要求。PTA装置用抗醋酸和氢溴酸强腐蚀、耐高温、耐磨的哈氏C合金、自洁功能硬密封球阀已经获得了国家专利。