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案例名称:氧阀检修强压检测密封方案探究
案例简介:     介绍了山东华鲁恒升公司大氮肥A炉改造氧阀检修的要求,结合氧阀对于强压检测密封的特殊要求,结合实际检修情况,对需检修阀门(BW对焊式)的强压检测提供方案进行分析对照,选取最优方案进行实施,达到用户要求的同时自身积累经验。

详细介绍

一、检修背景

气化炉为华鲁恒升大氮肥国产化装置中核心设备之一,主要使用于水煤浆的加压气化,为合成氨或甲醇生产提供粗原料气。华鲁恒升采用的气化炉有两种型式气化炉:一种为西北化工研究院的专有技术气化炉(B/C气化炉);另一种为华东理工大学的专有技术气化炉(A气化炉,)。此次A炉改造需检修氧阀均为日本梅索尼兰单座阀。阀座泄漏等级为0.001% Max. Diff. Pr.,相应高于ANSI B16.104Class V级。

气化炉内气体高压高速地燃烧,需要大量氧气进入,为保证正常的燃烧状态,确保气化炉的安全,必须严格调节控制氧气的流量,快速无泄漏地切断氧气,由于对调节和切断2个功能的要求都很高,所以通常用3个控制阀来完成,即氧气流量控制阀、氧气切断阀、氧气放空阀,统称氧阀。与一般工业过程控制阀相比,对气化炉用氧气阀有特殊要求: 氧气切断阀的关闭压差最高达5.07.0MPa,如此高的压差条件下同时要求其泄漏等级达到V,并且保证氧气介质不外漏。这就对阀门的强压测试与高压差条件下的泄露检测提出了较高的要求。

二、检修强压密封方案

此次需维修五台氧阀,其中工位号为HV-0706E的氧气流量控制阀,阀门与管道连接形式为BW对焊式,见图1BW对焊式法兰连接方式,主要用于ANSI900公称压力高压阀门[1]。结合其工作数据表要求阀门关闭后阀前压力为8.11MPa,阀后为0MPa,为保证满足标准要求以及安全考虑,根据相关国家标准规定,使用惰性气体为试验介质,利用低温阀门深冷试验控制设备进行进行强压测试,氦气检漏仪进行检测和数据显示,能够比较精确的检测阀门的外漏情况,符合检修协议要求。但是此类高压阀门的强压测试存在一定安全隐患,因此针对该类阀门强压检测密封方案进行如下探讨:

高压BW对焊式阀门强压测试方式通常有三种密封方案:

方案一:压机紧压阀体两端,阀体两端密封,一般为O型圈密封进行强压测试,见图2

方案二:阀体两端设计螺纹连接方式,制作堵头,将阀体两端流道密封,进行强压测试,见图3

方案三:阀体两端设计对拉螺杆方式,制作堵头,将阀体两端流道密封,进行强压测试,见图4

                           

1

2

 

3

4

三、强压检测密封方案分析

方案一即使用压机压紧阀体两端进行强压测试对于BW对焊式阀门是不安全的,由于BW对焊式阀门常用于ANSI900以上压力,因此不可使用方案一对此维修氧阀进行强压测试。

方案二即使用螺纹法兰固定堵头进行强压测试,需要进行螺纹力的校核,校核如下:

阀门最大工作压力为8.11MPa,根据国家标准,强压应为工作压力的1.5倍,应为12.5MPa。为便于操作,故将实际压力施加为15MPa
压力:150公斤/平方厘米;
受力面积S3.14X2.5X2.5(平方厘米) 
总拉力F1F1=2X3.14X2.5X2.5X150=5887.5(kgf)
换算成牛顿 F=F1X10/1000=58.875(kN)
堵头两端螺纹法兰直接接受堵头传递力,同为58.875KN,螺纹法兰螺纹设计为M80X2-7H,螺纹法兰材质为45钢调质处理。        

即两端堵头受到的轴向力为58875N  校核过程见下表[2]

物理量

单位

数据

公称直径M

mm

80

螺距p

mm

2

轴向力F

N

58875

螺纹小径d1

mm

77.835

螺纹中径d2

mm

78.701

螺纹牙底宽度b

mm

1.5

螺纹工作高度h

mm

1.083

原始三角形高度H

mm

1.732

螺旋升角ψ

deg

0.46

牙型倾角β

deg

30

摩擦系数f

无量纲

0.1

当量摩擦系数fv

无量纲

0.12

当量摩擦角ψv

deg

6.59

螺纹圈数z

无量纲

10

屈服强度σs

MPa

345

极限强度σb

MPa

650

σs/σb

无量纲

0.53

安全系数S

无量纲

1.2

许用拉应力[σ]

MPa

288

螺纹摩擦力矩Mt1

N·m

287

挤压应力σp

MPa

22

σp<[σp]

?

抗挤压:合格

许用剪应力[τ]

MPa

172.5

剪切面积

mm2

3668

0.6*剪切面积

mm2

2201

剪切应力τ

MPa

16

τ<[τ]

?

抗剪切:合格

[σb]

MPa

288

抗弯模量

mm3

917

弯曲应力σb

MPa

35

σb<[σb]

抗弯曲:合格

螺纹强度σ

MPa

12.46577574

螺纹强度σ<[σ]

螺纹强度:合格

自锁性

自锁性:满足

受力及变形分析见图4、图5

        

4  螺纹法兰式受力分析图                  5 螺纹法兰式变形分析图

方案二经过螺纹力校核,从螺纹抗剪切力、抗弯曲力、螺纹强度以及自锁性方面均能满足试验要求,因此方案二可行。结合用户要求不能对原阀体进行非必要加工,因此此方案暂时搁置,后经与用户沟通不可实施此方案。可以适合自制高压BW对焊型阀门强压密封试验(须校核力)。

方案三即使用螺栓对拉固定堵头进行强压测试,需要进行螺栓螺纹力进行校核,校核如下:
阀门最大工作压力为8.11MPa,根据国家标准,强压应为工作压力的1.5倍,应为12.5MPa。为便于操作,故将实际压力施加为15MPa
压力:150公斤/平方厘米;
受力面积S3.14X2.5X2.5(平方厘米) 
总拉力F1F1=2X3.14X2.5X2.5X150=5887.5(kgf)
换算成牛顿 F=F1X10/1000=58.875(kN)
每根螺栓承受力Fc=F/6=9.8≈10(kN)
每根对拉螺栓直接接受堵头传递力,同为10KN,螺纹法兰螺纹设计为M80X2-7H,螺纹法兰材质为45钢调质处理。 

即两端堵头受到的轴向力为10000N  校核过程见下表[2]

物理量

单位

数据

公称直径M

mm

80

螺距p

mm

2

轴向力F

N

10000

螺纹小径d1

mm

77.835

螺纹中径d2

mm

78.701

螺纹牙底宽度b

mm

1.5

螺纹工作高度h

mm

1.083

原始三角形高度H

mm

1.732

螺旋升角ψ

deg

0.46

牙型倾角β

deg

30

摩擦系数f

无量纲

0.1

当量摩擦系数fv

无量纲

0.12

当量摩擦角ψv

deg

6.59

螺纹圈数z

无量纲

10

屈服强度σs

MPa

345

极限强度σb

MPa

650

σs/σb

无量纲

0.53

安全系数S

无量纲

1.2

许用拉应力[σ]

MPa

288

螺纹摩擦力矩Mt1

N·m

49

挤压应力σp

MPa

4

σp<[σp]

?

抗挤压:合格

许用剪应力[τ]

MPa

172.5

剪切面积

mm2

3668

0.6*剪切面积

mm2

2201

剪切应力τ

MPa

3

τ<[τ]

?

抗剪切:合格

[σb]

MPa

288

抗弯模量

mm3

917

弯曲应力σb

MPa

6

σb<[σb]

抗弯曲:合格

螺栓强度σ

MPa

2.117329213

螺栓强度σ<[σ]

螺栓强度:合格

 

 

 

自锁性

自锁性:满足

受力及变形分析见图6 7

        

6 螺栓对拉式受力分析                      7 螺栓对拉式变形分析

方案三经过螺纹力校核,从螺纹抗剪切力、抗弯曲力、螺纹强度以及自锁性方面均能满足试验要求,因此方案三可行。与用户沟通后可实施此方案。同时此方案可以适合自制高压BW对焊型阀门强压密封试验(须校核力)。

确定强压检测密封方案后,进行了设计制作,利用低温阀门深冷试验控制柜进行检测,得出的试验结果真实可靠,提供了有力的保证(见图8)。

8

四、结束语

此次高压氧阀强压密封检测试验的成功开展,为以后高压气体介质阀门的强压检测密封设计提供了依据。

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