旋塞閥是關(guān)閉件成塞形的旋轉(zhuǎn)閥，通過旋轉(zhuǎn)90°使閥塞上的通道口與閥體上的通道口相通或切斷，實(shí)現(xiàn)開啟和關(guān)閉的一種閥門。由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，適合經(jīng)常啟閉的場(chǎng)合，傳統(tǒng)旋塞閥的密封靠機(jī)加工的金屬塞體與閥體間的直接接觸來(lái)實(shí)現(xiàn)，機(jī)械加工、裝配精度要求高，且密封性較差，啟閉力大，容易磨損，通常只用于低壓和小口徑的場(chǎng)合。氫氟酸烷基化裝置中的氫氟酸具有劇毒、強(qiáng)腐蝕性，對(duì)工藝、設(shè)備及原料等方面要求極其嚴(yán)格，若直接使用傳統(tǒng)的旋塞閥會(huì)造成氫氟酸泄漏，對(duì)環(huán)境和人的生命安全威脅極大，因此不能使用在氫氟酸烷基化裝置中。

     為了在烷基化裝置中安全可靠使用旋塞閥，筆者對(duì)旋塞閥的結(jié)構(gòu)、密封以及材料進(jìn)行研究，然后對(duì)閥體進(jìn)行ANSYS強(qiáng)度分析，使旋塞閥可以安全可靠的使用在氫氟酸烷基化裝置中。

1 旋塞閥的設(shè)計(jì)和密封

1.1 旋塞閥的設(shè)計(jì)

旋塞閥（見圖1）的參數(shù)設(shè)計(jì)主要依靠實(shí)際經(jīng)驗(yàn)。該閥的設(shè)計(jì)條件：介質(zhì)為HF+2.5%水；最高工作壓力p=3.88MPa；最高使用溫度t=260℃；接管通徑d=80mm。

圖1 旋塞閥外形圖

1.1.1　旋塞錐度的確定

旋塞（見圖2）夾角太小不是使塞子與閥體相互卡住，就是使塞子的旋轉(zhuǎn)發(fā)生困難。有文獻(xiàn)上是按比例來(lái)決定塞子錐體的錐度。總的來(lái)說(shuō)，旋塞的錐度應(yīng)保證旋塞與閥體間的自鎖，因而旋塞的半角Φ應(yīng)滿足Φ≤β，β為旋塞與閥體的摩擦角，β=arctanfm，fm為摩擦系數(shù)，對(duì)于Ni-Cu合金和T8-8的密封副，當(dāng)其表面的粗糙度Ra=0.2μm時(shí)，fm=0.04，對(duì)應(yīng)的摩擦角β=2.2°，故取Φ=2°[2]，所以塞子的夾角確定為4°。

圖2 旋塞幾何形狀

1.1.2　塞子通道的設(shè)計(jì)

由《實(shí)用閥門設(shè)計(jì)手冊(cè)》可知，通道孔平均寬度b=0.57d，即45.6mm；通道孔長(zhǎng)度h=2.5b，即114mm；為了減少進(jìn)入旋塞的流體的阻力損失和水力損失，把旋塞孔上方的通道改用圓弧形，然后對(duì)通道的邊緣進(jìn)行倒圓角。盡管通道的圓角引起的面積損失會(huì)產(chǎn)生一些誤差，但還是把塞子的通道面積看作是圖2中b和h的乘積，即A=hb=5198mm。

1.1.3　閥體主要結(jié)構(gòu)尺寸的確定

1）結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度

旋塞閥閥體的主要尺寸如圖3所示，其中L為閥體的結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度，h1為高度，L1為方頭尺寸，L2為方頭高度。由于閥門尺寸比較大，采用法蘭連接。我國(guó)使用的閥體的結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度是有一定標(biāo)準(zhǔn)的，只取出了所設(shè)計(jì)閥門通徑的數(shù)據(jù)，在公稱壓力PN2.5/4.0（PN4.0/5.0）下，法蘭連接旋塞閥的結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度，如表1所示。

圖3　閥體主要尺寸

表1　法蘭連接旋塞閥的結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度

由以上可知，本設(shè)計(jì)所取的結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度為短系列，即283mm。

2）閥體厚度

對(duì)于閥體的壁厚，我國(guó)規(guī)定了最小壁厚（單位為mm），如表2所示。

用插值法可以得出閥體壁厚的最小值為6.65mm，考慮到HF的腐蝕，取最小壁厚為8mm.也可以參考有些文獻(xiàn)上推薦使用的最小壁厚。

式中δ的單位為mm；p為公稱壓力，MPa；σ為應(yīng)力，σ=570MPa.

由上式得出δ=3.4mm.所以上面取的8mm符合條件。

表2　閥體的最小壁厚

3）其他主要尺寸閥體的其他主要尺寸同樣也由旋塞閥的公稱尺寸確定，如表3所示。

表3　閥體其他主要尺寸

由表3用插值法可以得出h=142mm，L1=38mm，L2=36mm。

1.2 閥門各部件的選材

由于使用條件是高溫高壓，而且介質(zhì)是有很強(qiáng)腐蝕性和毒性的氫氟酸，為了提高閥門的抗腐蝕性能，同時(shí)兼顧設(shè)備的經(jīng)濟(jì)性，旋塞閥應(yīng)采用整體制造生產(chǎn)。monel合金在所有濃度和所有溫度的氫氟酸中耐腐蝕，即穩(wěn)定性很突出，而且受流速影響小，因此泵、閥門等處于流速較高的條件下的設(shè)備和零件采用monel合金更合適。但monel合金需要進(jìn)口，且成本高昂，所以用華升公司的HS-1合金。在HF烷基化裝置系統(tǒng)中，該合金能很好地滿足設(shè)計(jì)要求.整體Ni-Cu合金閥門的閥體、閥蓋和閥塞均采用HS-1品級(jí)的鑄造Ni-Cu合金，由《壓力容器材料實(shí)用手冊(cè)———特種材料》可知其化學(xué)成分和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為Ni：67%，F(xiàn)e：1.4%，C：0.15%，Cu：30%，其余1.45%；機(jī)械性能中抗拉強(qiáng)度σb=600～880MPa，屈服強(qiáng)度σs=390～840MPa，伸長(zhǎng)率η=10%～35%，硬度HBS=160～250。

由于介質(zhì)高溫高壓，而且具有很強(qiáng)的腐蝕性，旋塞閥其他主要部件（見圖4）的選材也要耐高溫耐腐蝕，一般密封件都為聚四氟乙烯，但其不耐高溫，只能適用于<150℃的環(huán)境，所以，在這里使用耐高溫的不銹鋼18-8作為密封墊片。其他部件的用材分別如下：閥蓋、金屬膜片和填料壓蓋均為Ni-Cu合金，墊片為柔性石墨，密封膜片為PTEE/F46。

圖4　旋塞閥結(jié)構(gòu)圖

1.3 旋塞閥密封性

HF烷基化裝置中，由于液化石油氣易燃易爆，溫度壓力都很高，而且催化劑HF有很強(qiáng)的腐蝕性和毒性，勞動(dòng)保護(hù)要求較高，所以旋塞閥的密封性能就要求比較高，為了提高密封性，對(duì)傳統(tǒng)的旋塞閥做了改進(jìn)（見圖4）。

該閥密封特點(diǎn)如下：在整個(gè)旋塞閥腔內(nèi)部和端面壓入一個(gè)特制的PFA密封襯套，利用閥體上的倒梯形溝槽和旋塞與密封套緊密貼合，達(dá)到很好的密封效果.在閥桿密封裝置的下部為一柔性石墨墊片，上面還有一個(gè)PTEE/F46密封膜片，最上面用Ni-Cu合金金屬膜片蓋住，利用壓蓋將Ni-Cu合金金屬膜片、PTEE/F46密封膜片和柔性石墨墊片與閥體壓緊，防止HF通過閥體泄漏。閥桿上還裝有一個(gè)填料壓蓋，壓蓋下部裝有一圈柔性石墨填料，借助螺栓將其壓緊，一方面使填料在閥桿上受擠壓，一方面將上述兩膜片和墊片壓入旋塞與閥桿連接處的深槽內(nèi)，形成反唇密封。這種密封借助于閥內(nèi)壓力可以起到自封的作用，可以有效防止HF的泄漏。另外，密封裝置中的柔性石墨填料和墊片在萬(wàn)一發(fā)生火災(zāi)時(shí)，耐熱的柔性石墨能夠防止閥內(nèi)的介質(zhì)泄漏。閥體與管子連接處也是容易發(fā)生泄漏的地方，所以對(duì)其也要進(jìn)行密封設(shè)計(jì)。由于閥體尺寸較大，所以端面采用法蘭與管道連接，而密封襯套的外圍又用金屬纏繞墊進(jìn)行密封，進(jìn)一步加強(qiáng)了密封。

2 閥體的強(qiáng)度分析

對(duì)烷基化裝置中的各部件的安全性要求較高，尤其是高溫高壓條件下的烷基化裝置，所以旋塞閥的安全性不容忽視。而閥體是旋塞閥中的關(guān)鍵件，閥體的安全性、可靠性直接決定整個(gè)產(chǎn)品的安全性、可靠性。所以，為了檢驗(yàn)其可靠性，設(shè)計(jì)完畢后對(duì)閥體的強(qiáng)度進(jìn)行了分析。用來(lái)校核閥體強(qiáng)度的工具是商用軟件ANSYS。

閥體內(nèi)表面力的分布一般較為復(fù)雜，分析時(shí)將閥體內(nèi)壁面載荷看成在小面積區(qū)域內(nèi)受到的靜壓大小均勻分布，方向垂直于壁面。將Fluent計(jì)算出的對(duì)應(yīng)小面域的數(shù)值解施加為壓強(qiáng)載荷，近似模擬閥體內(nèi)壁實(shí)際壓強(qiáng)場(chǎng)的分布情況。利用ANSYS計(jì)算閥體的主應(yīng)力，閥門材料為Ni-Cu合金，彈性模量E=173kN/mm2，泊松比μ=0.32，密度ρ=8.8g/cm3，采用solid95單元，此單元能應(yīng)用于不規(guī)則形狀而沒有精確度損失，有適當(dāng)?shù)奈灰茀f(xié)調(diào)形狀，適于模擬曲線邊界。該單元由20個(gè)節(jié)點(diǎn)定義而成，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有3個(gè)移動(dòng)自由度：節(jié)點(diǎn)x，y和z方向的位移，具有空間的任意方向。較為清晰地描述出閥體在設(shè)計(jì)工況下不同部位的應(yīng)力分布情況.閥體的應(yīng)力分布見圖5。其局部放大圖，見圖6。

圖5　閥體應(yīng)力圖

圖6　部位1的局部放大圖

從圖上可看出，圖5的1處存在著較高的應(yīng)力水平，是閥體最容易破壞及最危險(xiǎn)的部位，也是在設(shè)計(jì)與鑄造加工時(shí)需要格外注意的地方。從ANSYS計(jì)算結(jié)果分析可知，在設(shè)計(jì)工況下，其最大拉應(yīng)力為157MPa。根據(jù)《壓力容器材料使用手冊(cè)》計(jì)算得知HS-1合金的許用應(yīng)力為165MPa，最大拉應(yīng)力小于材料的許用應(yīng)力，滿足強(qiáng)度條件。

3 結(jié)論

1）該旋塞閥閥桿處采用多層和多結(jié)構(gòu)密封，更加安全可靠。與普通旋塞閥相比，該閥門具有良好的密封性能和防腐蝕性能，并具有防火作用，啟閉力矩小，開關(guān)靈活，能滿足烷基化裝置中的生產(chǎn)要求。

2）經(jīng)過ANSYS分析結(jié)果表明，閥體的主要應(yīng)力集中部位就是閥缸與通道的連接處，這為閥門的設(shè)計(jì)和鑄造生產(chǎn)工藝提供了可靠的依據(jù)。在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意減小這里的應(yīng)力集中，適當(dāng)增加厚度來(lái)減小失效的可能性。

3）閥內(nèi)部的整體襯套浪費(fèi)材料，為了使襯套更好貼合在閥體內(nèi)壁，需要在閥體內(nèi)部加工出幾處工藝槽，增加了加工工藝，這里以后有待改進(jìn)。