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装置中的旋塞阀的设计与强度计算

作者:永嘉博亚阀门有限公司  来源:http://www.wzbyfm.com  更新时间:2022-03-22 16:13:46  点击次数:
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住,就是使塞子的旋转发生困难。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,而且受流速影响小,因此泵、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。
装置中的旋塞阀的设计与强度计算
关键词:旋塞阀
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