装置中的旋塞阀的设计与强度计算

2022

08/29 10:59:08

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　　旋塞阀是关闭件成塞形的旋转阀，通过旋转90°使阀塞上的通道口与阀体上的通道口相通或切断，实现开启和关闭的一种阀门。由于结构简单，使用方便，适合经常启闭的场合，传统旋塞阀的密封靠机加工的金属塞体与阀体间的直接接触来实现，机械加工、装配精度要求高，且密封性较差，启闭力大，容易磨损，通常只用于低压和小口径的场合。氢氟酸烷基化装置中的氢氟酸具有剧毒、强腐蚀性，对工艺、设备及原料等方面要求极其严格，若直接使用传统的旋塞阀会造成氢氟酸泄漏，对环境和人的生命安全威胁极大，因此不能使用在氢氟酸烷基化装置中。

　　为了在烷基化装置中安全可靠使用旋塞阀，笔者对旋塞阀的结构、密封以及材料进行研究，然后对阀体进行ANSYS强度分析，使旋塞阀可以安全可靠的使用在氢氟酸烷基化装置中。

　　1 旋塞阀的设计和密封

　　1.1 旋塞阀的设计

　　旋塞阀的参数设计主要依靠实际经验。该阀的设计条件：介质为HF+2.5%水；最高工作压力p=3.88MPa；最高使用温度t=260℃；接管通径d=80mm。

　　1.1.1　旋塞锥度的确定

　　旋塞（见图2）夹角太小不是使塞子与阀体相互卡�。褪鞘谷拥男⑸�。有文献上是按比例来决定塞子锥体的锥度。总的来说，旋塞的锥度应保证旋塞与阀体间的自锁，因而旋塞的半角Φ应满足Φ≤β，β为旋塞与阀体的摩擦角，β=arctanfm，fm为摩擦系数，对于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°，所以塞子的夹角确定为4°。

　　1.1.2　塞子通道的设计

　　由《实用阀门设计手册》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；为了减少进入旋塞的流体的阻力损失和水力损失，把旋塞孔上方的通道改用圆弧形，然后对通道的边缘进行倒圆角。尽管通道的圆角引起的面积损失会产生一些误差，但还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　阀体主要结构尺寸的确定

　　1）结构长度

　　旋塞阀阀体的主要尺寸如图3所示，其中L为阀体的结构长度，h1为高度，L1为方头尺寸，L2为方头高度。由于阀门尺寸比较大，采用法兰连接。我国使用的阀体的结构长度是有一定标准的，只取出了所设计阀门通径的数据，在公称压力PN2.5/4.0（PN4.0/5.0）下，法兰连接旋塞阀的结构长度，如表1所示。

　　由以上可知，本设计所取的结构长度为短系列，即283mm。

　　2）阀体厚度

　　对于阀体的壁厚，我国规定了最小壁厚（单位为mm）。

　　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.也可以参考有些文献上推荐使用的最小壁厚

　　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符合条件。

　　3）其他主要尺寸阀体的其他主要尺寸同样也由旋塞阀的公称尺寸确定，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

　　由于使用条件是高温高压，而且介质是有很强腐蚀性和毒性的氢氟酸，为了提高阀门的抗腐蚀性能，同时兼顾设备的经济性，旋塞阀应采用整体制造生产。monel合金在所有浓度和所有温度的氢氟酸中耐腐蚀，即稳定性很突出，而且受流速影响�。虼吮�、阀门等处于流速较高的条件下的设备和零件采用monel合金更合适。但monel合金需要进口，且成本高昂，所以用华升公司的HS-1合金。

　　在HF烷基化装置系统中，该合金能很好地满足设计要求.整体Ni-Cu合金阀门的阀体、阀盖和阀塞均采用HS-1品级的铸造Ni-Cu合金，由《压力容器材料实用手册———特种材料》可知其化学成分和质量分数为Ni：67%，Fe：1.4%，C：0.15%，Cu：30%，其余1.45%；机械性能中抗拉强度σb=600～880MPa，屈服强度σs=390～840MPa，伸长率η=10%～35%，硬度HBS=160～250。

　　由于介质高温高压，而且具有很强的腐蚀性，旋塞阀其他主要部件的选材也要耐高温耐腐蚀，一般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，在这里使用耐高温的不锈钢18-8作为密封垫片。其他部件的用材分别如下：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。

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