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氯环境用阀门及其材料的选择

发布时间:2019-10-28 点击次数:50次

  概述

  氯气作为氯碱化工的重要原料,用途极其广泛。尽管氯气为非易燃介质,但如同氧气一样,氯气对某些物质的燃烧具有助燃作用,许多有机化学品极易和氯发生反应,有时还会发生强烈的爆炸。当氯气的浓度超过嗅觉的阈值时,随着接触时间的延续及浓度的增加,可能会因为窒息而导致死亡。而在湿氯环境,氯气和水会生成盐酸对阀门产生腐蚀。因此氯气环境用阀门的安全性要求极高,对阀门的结构、材料、试验及包装等提出了更为严格的要求。

  2 氯气常用阀门类型

  2. 1 截止阀

  截止阀由于属于强制密封阀,并且阀腔中不会滞留介质、阀杆为防飞出结构、填料压盖可调节、密封面可以堆焊司太立或镶嵌 PTFE,因此,干氯工况常选用截止阀。

  但需要注意的是填料函结构的设计,因为氯介质可能由阀杆处逸散性泄漏并与潮湿空气发生反应,造成对阀杆的腐蚀。为此,可采用波纹管结构或者将填料函加长并且使用石墨填料或者聚四氟乙烯填料,阀杆使用哈氏合金 C -276 和 C22 材料,采取这些措施可延长干氯环境下截止阀的使用寿命。

  2. 2 球阀

  球阀可实现紧急关断,并且在全开时可提供小的流阻,而且比相同尺寸的旋塞阀容易操作,由于球阀是部分回转设计,因而更有利于阀杆处的密封。

  干氯环境用球阀应该用防飞出阀杆结构,并且填料处永久可调,尽管氟橡胶 O 型圈会用来做外部次级密封,但是推荐使用 PTFE 做主密封材料。美国氯气协会出版物中要求干氯环境的球阀需有防静电装置,用来保证阀杆和阀体之间的电连续性。

  用于液氯环境的球阀设计必须考虑超压情况,当阀门关闭时,截留在阀门中腔的液氯会持续挥发,当挥发释放的气体压力达到一定程度可能造成阀门承压边界失效,为解决这一问题,球体上应开有泄压孔并使其指向高压端,或者采用自动泄放单活塞型(SPE)阀座。无论采用哪种泄压结构,阀体上必须注明压力方向标识,箭头指向低压端,箭尾为高压端即泄压方向。

  2. 3 旋塞阀

  旋塞阀可以满足氯介质工况并且使用状况良好,但是也同样存在缺点。旋塞阀启闭时操作转矩需要平衡,并且密封性不好,与球阀一样,旋塞阀也能提供紧急密封,部分回转的结构使得阀门能够获得比直行程阀门更好的阀杆密封设计。旋塞阀的阀杆是防飞出设计而且填料可调节,通常密封材料为PTFE。

  旋塞阀通常为缩颈,与球阀一样,在关闭时会使内腔滞留氯介质,所以,旋塞体也要在高压方向上留有泄放孔。

  2. 4 软密封高性能蝶阀

  在氯介质中,也可以用软密封高性能蝶阀,尤其是大口径场合,但这种阀门和 API 609 全衬蝶阀的结构还是有所区别。氯环境软密封高性能蝶阀的填料压盖应设计成可调节结构,阀座应设计成一体式唇形密封结构。

  软密封高性能蝶阀可提供紧急关断功能,阀杆为部分回转,使得阀门填料密封相对于多回转阀门有了更长的使用寿命。

  2. 5 全衬氟塑料蝶阀

  全衬氟塑料蝶阀在干性和湿性氯环境中均适用,因为所有内件都衬有聚四氟乙烯,所以阀门的金属部分都不会与介质接触,全衬蝶阀的阀杆应设计成防飞出结构。

  全衬蝶阀可提供紧急关断功能,阀杆为部分回转,使得阀门填料密封相对于多回转阀门有了更长的使用寿命。

  全衬聚四氟乙烯阀座的弹性由其下边的一层氟橡胶实现,这层氟橡胶不与介质接触。

  2. 6 偏心半球阀

  这种阀门和传统的球阀有很大区别,当阀门关闭时其中腔不会滞留介质。阀座材料的选择及其紧急关断特性由实际应用确定,该阀门在氯环境中通常用做调节阀。

  2. 7 全衬球阀

  全衬球阀在干性和湿性氯环境中均适用,因为所有内件都衬有 PTFE,所以阀门的金属部分不会与介质接触,该阀门可提供紧急关断功能,阀杆为部分回转,这样使得阀门填料密封相对于多回转阀门有了更长的使用寿命。全衬球阀的阀杆应具有防飞出功能,填料压盖应设计成可调结构。填料通常选用PTFE。

  全衬球阀只能应用于气体介质。因为一旦用于液氯环境,滞留在阀腔中的液氯介质持续挥发所引起的超压情况由于无法泄压而可能导致中腔承压边界失效,进而影响阀门安全运行。

  2. 8 轨道球阀

  这种阀门综合了强制密封截止阀和全通径球阀的特点,介质不会在关闭过程中滞留在中腔内。轨道球阀采用控轨螺栓和阀杆导向槽控制球体使其按设计轨迹旋转及升降,实现阀门的无摩擦开启和关闭,保证阀门低扭矩操作和长期可靠性。

  2. 9 衬里旋塞阀

  衬里旋塞阀在干性和湿性氯环境中均适用,可提供紧急关断功能,阀杆为部分回转,这样使得阀门填料密封相对于直行程阀门有了更长的使用寿命。

  衬里旋塞阀应设计成旋塞和阀杆一体式防飞出阀杆结构,填料压盖应具有可调节功能,填料通常为聚四氟乙烯。

  衬里旋塞阀通常为缩颈,与球阀一样,在关闭时会使介质滞留在阀腔,所以,旋塞体要在高压方向上开有泄放孔。

  3 氯环境阀门选型需要考虑的因素

  选择氯环境应用阀门时,除了考虑流量因素外,还应考虑以下因素。

  3. 1 交变温度工况

  在温度经常大幅度变化的工况,一些特殊阀杆密封结构及填料结构,应考虑选用波纹管或者活载荷填料。

  3. 2 密封方向

  如果工况要求双向密封,应避免选用单向密封的阀门。

  3. 3 环境温度

  在选择材料时,应注意考虑环境温度和工艺温度。

  3. 4 湿氯环境的潜在风险

  当阀门应用干氯环境但有潜在的湿氯环境时,或者金属部件已经被腐蚀的情况下,选择材料应尤其慎重,例如,大部分的全衬旋塞阀和球阀的承压件都是球墨铸铁,球墨铸铁可用在Ⅰ级工况下。但是对该级别来说,阀体和阀盖的材料选择必须按照阀门材质选择指南的规定,另外,阀门部件材质的选择必须够满设计压力和设计温度。

  3. 5 节流

  用于节流的阀门必须能够适应由高压差所产生的低温工况,当选择阀门时,必须考虑所有可能产生低温度下的工况。

  阀门的设计必须保证不会发生闪蒸和气蚀,这就需要变更内件和更改流道尺寸来实现。

  3. 6 固体杂质和异物的潜在威胁

  在某些工况下,干氯环境可能出现固体杂质,从而影响阀门的密封性能。所以阀门的类型和部件材料必须要考虑进去。

  在特殊情况下,氯化铁和硫酸铵聚合物可能在阀门内腔聚集,例如截止阀的阀瓣。为了防止这些颗粒聚合,建议对阀门定期吹扫以去除这些聚合物。

  如果清扫时间间隔过长,聚合物会在阀门上硬化,使阀门失去紧急关断的功能。即使阀门长时间未清扫,但经过多次清扫后聚合物仍然可以被清扫而保证阀门的关断。

  3. 7 氯离子腐蚀

  承受应力腐蚀的阀门部件,或者因为泄漏而暴露于腐蚀环境的阀门部件,包括阀杆、阀瓣、紧固件和弹簧垫圈,都不能用 300 系列不锈钢。

  4 干氯环境用阀门及材料选择、测试和包装要求

  4. 1 阀门选择

  表 1 给出了适用于干氯环境选择阀门的要求。在特定工况下选用非表中推荐的其他类型阀门时,应该在样品经过测试合格后并有可查的使用记录才可以使用,以保证系统安全运行。

  4. 2 干氯环境用阀门材料的选择

  表 2 中所列的材料经实践证明适用于干氯环境,在对干氯环境应用阀门选材时可以参考,但并不意味着适用于氯介质的非表列材料不能使用,选材时高等级材料可代替低等级材料。

  4. 3 阀门测试

  每台阀门必须按照 API 598 进行性能试验,壳体强度试验按 1. 5 倍 38℃ 下压力温度额定值进行试验,正负偏差不超过 25psig。用于干氯环境的阀门必须进行密封试验,试验介质严禁用液体,必须用惰性气体或者空气,在保压期间无泄漏。

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  4. 4 清洁和包装

  所有的金属阀门必须进行脱脂、特殊清洗及干燥处理。阀门润滑应选用与氯具有相容性的润滑脂,这样才能使阀门适用于氯环境中,阀门包装必须保证湿气不能进入阀体中。在阀门安装到管道上之前,用户应该注意保证包装的完整性。

  全衬阀门的部件必须经过脱脂、特殊清洗及干燥处理后方可进行装配,以满足氯环境的使用要求,在经过压力试验之后,旋塞阀、球阀和截止阀应该解体重新对部件进行清洗和干燥,以去除腔体内的水分。全衬蝶阀则无需这样操作,但也应该清洗和干燥。阀门试验后应将阀门包装完好以保护衬里和内件,衬里阀门不必进行防止湿气腐蚀内件的密封包装。如果干燥工作没有做好,非衬里的金属阀门会被腐蚀。保护衬里阀门的关键是保证内腔和法兰面的干净和干燥,并且一直持续到阀门安装前,即便在安装前,阀门还有可能在现场进行一次清洗和干燥处理。

  5 结语

  用于干氯环境中的阀门类型主要有截止阀、球阀、旋塞阀和蝶阀。应用在氯环境的阀门不同于普通工况的阀门,每种阀门都需要针对干氯环境进行特殊结构设计。氯环境阀门结构及材料都有特殊要求,是一种特殊设计的产品,必须引起制造商、供应商、安装公司和操作者足够的重视,使得阀门能够满足氯环境运行的条件,保证阀门安全可靠运行。


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