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[推荐]烷基化装置旋塞阀的设计与强度计算
旋塞阀是旋转阀,通过旋转90°使阀塞上的通道口与阀体上的通道口相通或堵截,完成开启和封闭的一种阀门。因为构造简略,运用方便,适宜常常启闭的场合,传统旋塞阀的密封靠机加工的金属塞体与阀体间的直接触摸来完成,机械加工、安装精度请求高,且密封性较差,启闭力大,简单磨损,通常只用于低压和小口径的场合。氢氟酸烷基化设备中的氢氟酸具有剧毒、强腐蚀性,对技术、设备及质料等方面请求极端严厉,若直接运用传统的旋塞阀会构成氢氟酸走漏,对环境和人的生命安全要挟极大,因而不能运用在氢氟酸烷基化设备中。
    为了在烷基化设备中安全可靠运用旋塞阀,笔者对旋塞阀的构造、密封以及资料进行研究,然后对阀体进行ANSYS强度剖析,使旋塞阀可以安全可靠的运用在氢氟酸烷基化设备中。
     旋塞阀的规划和密封
     1.1 旋塞阀的规划
     旋塞阀(见图1)的参数规划首要依托实践经历。该阀的规划条件:介质为HF+2.5%水;最高工作压力p=3.88MPa;最高运用温度t=260℃;接管通径d=80mm。
     1.1.1 旋塞锥度的断定
     旋塞(见图2)夹角太小不是使塞子与阀体彼此卡住,即是使塞子的旋转发作困难。有文献上是按份额来决议塞子锥体的锥度。总的来说,旋塞的锥度应确保旋塞与阀体间的自锁,因而旋塞的半角Φ应满意Φ≤β,β为旋塞与阀体的摩擦角,β=arctanfm,fm为摩擦系数,关于Ni-Cu合金和T8-8的密封副,当其表面的粗糙度Ra=0.2μm时,fm=0.04,对应的摩擦角β=2.2°,故取Φ=2°,所以塞子的夹角断定为4°。
     1.1.2 塞子通道的规划
     由《实用阀门规划手册》可知,通道孔平均宽度b=0.57d,即45.6mm;通道孔长度h=2.5b,即114mm;为了削减进入旋塞的流体的阻力丢失和水力丢失,把旋塞孔上方的通道改用圆弧形,然后对通道的边际进行倒圆角。虽然通道的圆角导致的面积丢失会产生一些差错,但仍是把塞子的通道面积看作是图2中b和h的乘积,即A=hb=5198mm。
     1.1.3 阀体首要构造尺度的断定
     1)构造长度
     旋塞阀阀体的首要尺度如图3所示,其间L为阀体的构造长度,h1为高度,L1为方头尺度,L2为方头高度。因为阀门尺度比较大,选用法兰衔接。中国运用的阀体的构造长度是有一定规范的,只取出了所规划阀门通径的数据,在公称压力PN2.5/4.0(PN4.0/5.0)下,法兰衔接旋塞阀的构造长度,如表1所示。
      由以上可知,本规划所取的构造长度为短系列,即283mm。
     2)阀体厚度
     关于阀体的壁厚,中国规则了最小壁厚(单位为mm),如表2所示。
     用插值法可以得出阀体壁厚的最小值为6.65mm,考虑到HF的腐蚀,取最小壁厚为8mm.也可以参阅有些文献上推荐运用的最小壁厚
     式中δ的单位为mm;p为公称压力,MPa;σ为应力,σ=570MPa.
     由上式得出δ=3.4mm.所以上面取的8mm契合条件。
     3)别的首要尺度阀体的别的首要尺度相同也由旋塞阀的公称尺度断定,如表3所示。
     由表3用插值法可以得出h=142mm,L1=38mm,L2=36mm。
     1.2 阀门各部件的选材
     因为运用条件是高温高压,并且介质是有很强腐蚀性和毒性的氢氟酸,为了进步阀门的抗腐蚀功能,一起统筹设备的经济性,旋塞阀应选用全体制作出产。monel合金在一切浓度和一切温度的氢氟酸中耐腐蚀,即稳定性很杰出,并且受流速影响小,因而泵、阀门等处于流速较高的条件下的设备和零件选用monel合金更适宜。但monel合金需求进口,且成本昂扬,所以用华升公司的HS-1合金。在HF烷基化设备体系中,该合金能极好地满意规划请求.全体Ni-Cu合金阀门的阀体、阀盖和阀塞均选用HS-1等第的锻造Ni-Cu合金,由《压力容器资料实用手册———特种资料》可知其化学成分和质量分数为Ni:67%,Fe:1.4%,C:0.15%,Cu:30%,别的1.45%;机械功能中抗拉强度σb=600~880MPa,屈从强度σs=390~840MPa,伸长率η=10%~35%,硬度HBS=160~250。
     因为介质高温高压,并且具有很强的腐蚀性,旋塞阀别的首要部件(见图4)的选材也要耐高温耐腐蚀,通常密封件都为聚四氟乙烯,但其不耐高温,只能适用于<150℃的环境,所以,在这儿运用耐高温的不锈钢18-8作为密封垫片。别的部件的用材别离如下:阀盖、金属膜片和填料压盖均为Ni-Cu合金,垫片为柔性石墨,密封膜片为PTEE/F46。
     1.3 旋塞阀密封性
     HF烷基化设备中,因为液化石油气易燃易爆,温度压力都很高,并且催化剂HF有很强的腐蚀性和毒性,劳动保护请求较高,所以旋塞阀的密封功能就请求比较高,为了进步密封性,对传统的旋塞阀做了改善(见图4)。
     该阀密封特色如下:在全部旋塞阀腔内部和端面压入一个特制的PFA密封衬套,使用阀体上的倒梯形沟槽和旋塞与密封套紧密贴合,到达极好的密封作用.在阀杆密封设备的下部为一柔性石墨垫片,上面还有一个PTEE/F46密封膜片,最上面用Ni-Cu合金金属膜片盖住,使用压盖将Ni-Cu合金金属膜片、PTEE/F46密封膜片和柔性石墨垫片与阀体压紧,避免HF通过阀体走漏。阀杆上还装有一个填料压盖,压盖下部装有一圈柔性石墨填料,凭借螺栓将其压紧,一方面使填料在阀杆上受揉捏,一方面将上述两膜片和垫片压入旋塞与阀杆衔接处的深槽内,构成反唇密封。这种密封凭借于阀内压力可以起到自封的作用,可以有效避免HF的走漏。别的,密封设备中的柔性石墨填料和垫片在如果发作火灾时,耐热的柔性石墨可以避免阀内的介质走漏。阀体与管子衔接处也是简单发作走漏的当地,所以对其也要进行密封规划。因为阀体尺度较大,所以端面选用法兰与管道衔接,而密封衬套的外围又用金属环绕垫进行密封,进一步加强了密封。
     2 阀体的强度剖析
     对烷基化设备中的各部件的安全性请求较高,尤其是高温高压条件下的烷基化设备,所以旋塞阀的安全性不容忽视。而阀体是旋塞阀中的要害件,阀体的安全性、可靠性直接决议全部商品的安全性、可靠性。所以,为了查验其可靠性,规划结束后对阀体的强度进行了剖析。用来校核阀体强度的工具是商用软件ANSYS。
     阀体内表面力的散布通常较为杂乱,剖析时将阀体内壁面载荷当作在小面积区域内遭到的静压巨细均匀散布,方向垂直于壁面。将Fluent核算出的对应小面域的数值解施加为压强载荷,近似模仿阀体内壁实践压强场的散布状况。使用ANSYS核算阀体的主应力,阀门资料为Ni-Cu合金,弹性模量E=173kN/mm2,泊松比μ=0.32,密度ρ=8.8g/cm3,选用solid95单元,此单元能应用于不规则形状而没有精确度丢失,有恰当的位移和谐形状,适于模仿曲线鸿沟。该单元由20个节点界说而成,每个节点有3个移动自由度:节点x,y和z方向的位移,具有空间的任意方向。较为明晰地描述出阀体在规划工况下不一样部位的应力散布状况.阀体的应力散布见图5。其部分扩大图,见图6。
     从图上可看出,图5的1处存在着较高的应力水平,是阀体最简单损坏及最风险的部位,也是在规划与锻造加工时需求分外留意的当地。从ANSYS核算结果剖析可知,在规划工况下,其最大拉应力为157MPa。根据《压力容器资料运用手册》核算得知HS-1合金的许用应力为165MPa,最大拉应力小于资料的许用应力,满意强度条件。
     3 定论
     1)该旋塞阀阀杆处选用多层和多构造密封,愈加安全可靠。与普通旋塞阀比较,该阀门具有杰出的密封功能和防腐蚀功能,并具有防火作用,启闭力矩小,开关灵敏,能满意烷基化设备中的出产请求。
     2)通过ANSYS剖析结果表明,阀体的首要应力会集部位即是阀缸与通道的衔接处,这为阀门的规划和锻造出产技术供给了可靠的根据。在规划时应留意减小这儿的应力会集,恰当增加厚度来减小失效的可能性。
     3)阀内部的全体衬套浪费资料,为了使衬套非常好贴合在阀体内壁,需求在阀体内部加工出几处技术槽,增加了加工技术,这儿今后有待改善。

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