裂解氣閥和清焦閥的選型及使用
常見的裂解氣閥和清焦閥的閥型有軟密封平板閘閥、金屬密封平板閘閥、雙閘板平行式閘閥和金屬密封蝶閥4種，文中分別論述了其原理和特點，簡單介紹了這4種閥門在國內的應用概況，總結了裂解氣閥和清焦閥的選型及使用應該注意的事項。
裂解氣閥和清焦閥是裂解爐的關鍵設備之一，其性能的優劣直接影響裂解爐的運行和安全。自從裂解技術在20世紀60年代末成熟應用以來，裂解氣閥和清焦閥的設計、制造和應用也有了很大的發展。
1、裂解氣閥和清焦閥的用途
1臺裂解爐通常配備1個裂解氣閥和1個清焦閥，裂解氣閥用以切斷裂解管線，清焦閥用以切斷清焦管線，其典型的安裝工藝見圖1。
圖1 解氣閥和清焦閥的安裝示意
1.1、裂解氣閥和清焦閥的工作模式
裂解氣閥和清焦閥有3種工作模式：
裂解模式：裂解氣閥開啟，清焦閥關閉，裂解爐在裂解，裂解氣和急冷油混合共同進入分離塔，此時工況壓力為0.1MPa，溫度約為250℃;工作1個周期(30～60天)后，裂解爐內壁結焦，效率降低，需要清焦，閥門進入切換模式。
切換模式：裂解氣閥正在“關”中，清焦閥正在“開”中。至裂解氣閥全關，清焦閥全開狀態，進入清焦模式。
清焦模式：裂解氣閥關閉，清焦閥開啟。當裂解爐在清焦時，急冷器停止噴油，含有焦碳顆粒的煙道氣通過清焦閥放空，此時工況壓力為0.07MPa，溫度為400～500℃，持續1～2天后，再次切換，至裂解氣閥全開，清焦閥全關，再次進入裂解模式，如此循環往復。
1.2、裂解氣閥和清焦閥的介質
和普通閥門不同，裂解氣閥和清焦閥有工藝和保護2種介質(見圖2)。工藝介質分別是裂解氣和清焦氣，運行在流道中，壓力為P1。裂解氣的成分十分復雜，有碳氫化合物、CO和CO2、急冷油、水蒸氣等，在清焦過程中還會產生大量的結焦顆粒，是多相流。保護介質為蒸汽，運行在閥腔中，壓力為P2。
蒸汽主要有3個作用：一是在閥腔和流道之間建立氣封。由于蒸汽的壓力高于介質壓力，故閥腔和流道間的物質交換，只能是閥腔中的蒸汽流入流道;二是保持閥體的溫度，防止閥腔結焦;三是清潔閥腔，將進入閥腔的裂解氣經排放管吹掃出去。對于雙閘板平行式閘閥，保護蒸汽在閥門關閉時還增加了密封力，使密封更可靠，在閥門開啟時保護蒸汽還提供了膨脹節的密封力。
圖2 裂解氣閥和清焦閥的介質示意
2、常見的裂解氣閥和清焦閥
目前常見的裂解氣閥和清焦閥的閥型有軟密封平板閘閥、金屬密封平板閘閥、雙閘板平行式閘閥和金屬密封蝶閥4種，下面簡單論述該4種閥型的原理、特點和在國內的應用概況。
2.1、軟密封平板閘閥
2.1.1、原理
平板閘閥的閥板采用平板結構，通過閥板與密封圈的接觸壓力來密封流體，軟密封是指密封圈材料是非金屬(見圖3)。
圖3 軟密封平板閘閥示意
作為裂解氣閥和清焦閥的平板閘閥有2個特點：一是密封圈在結構上同普通平板閘閥密封圈有本質區別，其主體材料為石棉，纖維方向要定向排列，且均平行于密封圈中心線，即垂直于閥板運動方向，使密封圈承受軸向載荷能力強，不易受損傷(見圖4)。而普通平板閘閥密封圈的材質為聚四氟乙烯或石墨，不含纖維，容易劃傷，不耐結焦;二是帶導流孔，這樣在開位密封圈受保護，壓力損失小。
2.1.2、優點
圖4 密封圈示意
(1)開位的密封程度和閉位一致，介質不會進入閥腔，大幅降低了結焦可能性;
(2)壓力損失小。介質流經楔式閘閥時，因閥腔擴大，流速突變，形成渦流，造成壓力損失，而流經導流式平板閘閥時，如同在直管內流動，僅有輕微的沿程阻力損失;
(3)易維修，僅替換密封圈即可;
(4)平板閘閥的開關行程偏差不如楔式閘閥那樣嚴格，故便于實現自動控制和遙控;
(5)操作平穩省力，克服了楔式閘閥開關力矩波動大和閘板易被卡死的缺點;
(6)閥板在開關過程中，始終是在密封面上滑動，密封圈起到清掃閥板的作用，不會嚙進固體顆粒而損傷密封面;
(7)結構簡單、可靠性高，比金屬密封成本低;
(8)密封圈壓在閥座的溝槽里，被金屬保護，流體的沖蝕小。
2.1.3、缺點
(1)軟密封的使用周期較金屬密封短，易被顆粒劃傷，影響使用壽命;
(2)在開關過程中，閥板與密封圈之間不密封，裂解氣可經過密封圈和導流孔形成的通道進入閥腔，形成結焦;
(3)在關位，介質壓力將閥板壓向出口側，在進口密封圈和閥板之間形成細小間隙，造成泄漏。連續運行后，蒸汽會吹掉密封圈，引起更大的泄漏，形成結焦，造成閥板關閉不到位。
2.1.4、使用情況
軟密封平板閘閥是第一代裂解氣閥和清焦閥，20世紀80年代，國內如燕山、金山、揚子、齊魯、大慶等均采用此種閥型，為日本一之瀨(Ichi-nose)公司的產品。裂解氣閥的公稱通徑為DN800(32in)，清焦閥的公稱通徑為DN350(14in)，每家廠使用的數量約12臺，第一代產品均為縮徑，因而壓力損失大。
2.2、金屬密封平板閘閥
2.2.1、優點
針對軟密封的不足，金屬密封平板閘閥進行了三方面改進，屬于第二代裂解氣閥和清焦閥(見圖5)。
圖5 金屬密封平板閘閥示意
密封圈采用多層金屬復合密封圈，包含多層金屬帶和非金屬帶。金屬帶是“骨架”，使復合密封圈具有一定的強度和剛度，保證耐磨性和使用壽命，保護非金屬帶不被介質劃傷、撕裂或吹失。非金屬帶是“密封”，使復合密封圈具有適當的彈性，保證密封性，是密封的主體。金屬復合密封圈兼有非金屬和金屬密封的優點，即密封可靠、耐磨損、使用壽命長。
閥座上安裝有2塊導板，導板在閥板移動時始終緊貼著閥板，閥板在導板中無間隙地運動，閥腔和流道之間始終處于隔離狀態，大幅提高了平板閘閥在開關過程中的防焦性能。
早期的平板閘閥均為下置導流孔設計(見圖6)，導流孔位于閥板下部，上部為密封面，閥板下降時閥門關閉。在關閉過程中，密封圈和導流孔形成的通道位于下部，在重力的作用下，裂解氣經過此通道進入閥腔，形成結焦。新一代金屬密封平板閘閥改為上置導流孔設計(見圖7)，導流孔位于閥板上部，下部為密封面，閥板下降時閥門開啟，閥板上升時閥門關閉。在關閉過程中，由密封圈和導流孔形成的通道位于上部，降低了結焦可能性。
圖6 下置導流孔示意
圖7 上置導流孔示意
2.2.2 使用情況
德國菲亞泰科(Friatec)的金屬密封平板閘閥，在國內有很多廠家使用，四川石化約28臺，蘭州石化約22臺。另外天津、齊魯、楊子也有少量使用。
2.3、雙閘板平行式閘閥
2.3.1、原理
雙閘板平行式閘閥是一種帶導流孔的平行式閘閥，兩個閘板安裝在眼鏡式的閥板架中，當閥門關閉時，兩閘板被楔塊撐開緊密地壓在閥座上，形成強制密封。在閥門開關過程中，導板始終緊貼著閥板，閥板在導板中無間隙地運動，形成浮動密封，防止介質在開關過程中進入閥腔。當閥門完全開啟時，相當于直通管道，膨脹節和閥座形成彈性密封，防止介質進入閥腔。這種閥門的動作分兩步：關閉時，閘板移動到位后才膨脹密封;開啟時，閘板收縮后再向上移動打開(見圖8)。
圖8 雙閘板平行式閘閥示意
此種閥門的特點是開位密封，其原理見圖9所示。膨脹節由密封座、內管和波紋管組成，波紋管是彈性元件，兩端均和密封座焊接在一起，而內管僅有一端焊接在密封座上，另一端自由，使膨脹節具有膨脹性。膨脹節的密封力由兩部分組成：一是膨脹節在高溫下產生熱脹力;二是閥腔的蒸汽壓力高于內管中的介質壓力，兩者之差使膨脹節膨脹。
2.3.2、優點
圖9 膨脹節原理示意
(1)雙閘板平行式閘閥兼有楔式閘閥和平板閘閥的優點，在閉位、開位和開關過程中均考慮了防焦措施，從理論上講閥腔不可能結焦;
(2)閥座密封面堆焊硬質合金，使用周期長;
(3)閉位具有雙重密封功能;
(4)防焦性能好，開位膨脹節彈性密封，開關過程中全導板浮動密封;
(5)在開位和閉位，閥座被完全覆蓋，避免顆粒在閥座上堆積;
(6)閥板和閥座的摩擦小，使用壽命長;
(7)內部設置楔式機構，防脹死設計，適合于高溫工況;
(8)在開位相當于直通管道，壓力損失小。
2.3.3、缺點
(1)結構復雜，活動件多，可靠性降低;
(2)體積大、閥門重，制造成本高，需要安裝空間大;
(3)金屬閥座，維修難度大;
(4)閥體采用焊接結構，截面為矩形，閥體的剛度差。
2.3.4、使用情況
雙閘板平行式閘閥是由德國Zimmermann研制的，20世紀90年代后期，特別是最近幾年，有很多的用戶選擇此閥，是國內目前在線數量最多的一種閥型。
2.4、金屬密封蝶閥
2.4.1、原理
用作裂解氣閥和清焦閥的蝶閥均為三偏心金屬密封蝶閥(見圖10)。第一偏心是軸向偏心，指蝶板回轉軸線與密封面偏置一個距離，使密封面為連續360°;第二偏心是徑向偏心，蝶板回轉軸線與閥體流道中心線偏置一個距離，產生凸輪效應，可消除80%轉動范圍內閥板與閥座的摩擦接觸;第三偏心是角偏心，閥座回轉軸線與閥體通道軸線形成一個角度，消除余下20%摩擦接觸。三偏心的最大特點是從根本上改變了密封機理，不再依靠閥座的彈性變形，而是完全依靠接觸壓力來達到密封效果。在關閉時產生的力主要是法向正壓力，而幾乎沒有切向力，解決了金屬閥座零泄漏這一難題。用作裂解氣閥和清焦閥的金屬密封蝶閥必須設計2種保護：一是閥座蒸汽保護系統，閥座上設計蒸汽吹掃，可以確保閥座密封面不會結焦;二是蝶板保護裝置，可在閥門全開時，防止介質中的顆粒在蝶板密封面上堆積。
圖10 三偏心金屬密封蝶閥的原理和保護設計
2.4.2、優點
(1)重量輕，蝶閥比同材質、同磅級、同口徑的閘閥平均重量輕80%，體積小70%，價格低40%;
(2)電動執行機構的功率小，金屬密封三偏心蝶閥密封副在接觸和脫離的瞬間幾乎不發生相對摩擦，大幅降低了操作力矩;
(3)三偏心蝶閥利用扭矩切斷閥門，有較好的密封性能;
(4)開關時間短;
(5)全關時蝶板與閥座不接觸，相互間不會產生滑動，這樣既能減少密封面的損傷，又能延長使用壽命;
(6)閥板密封面可更換，維護簡單。
2.4.3、缺點
(1)蝶板和閥桿位于流道中，減小了流通面積，造成壓頭損失。而隨著偏心數增加，閥板的厚度增加，則阻力增加，三偏心蝶閥的阻力損失比二偏心和中線蝶閥大;
(2)閥座暴露在介質中，遭受腐蝕和沖刷，使用壽命短，顆粒易在閥座、閥板上堆積，造成閥門關閉不嚴;
(3)不能形成密封的腔體，蒸汽損耗量大，增加了下游設備的負荷;
(4)蝶閥的流通面積對開關的偏差敏感，開度稍不到位，壓降會急劇上升，影響裝置產能。
(5)蝶閥在切斷的可靠性方面低于閘閥。為實現雙截斷與排放(DBB)功能，蝶閥用作裂解氣閥時，通常采取雙閥配置，串聯使用，其中備閥具有事故工況下自動關閉功能，提高可靠性。
2.4.4、使用情況
20世紀80年代后，三偏心金屬密封蝶閥才開始用作裂解氣閥和清焦閥，主要有ADAMS公司的多層次密封蝶閥和MAPAG公司的M型蝶閥。
多層次密封蝶閥的密封面采用的是層壓式不銹鋼石墨材料，具有很高的強度和剛性，在高溫高壓下仍有良好的密封性能。
ADAMS蝶閥在茂名石化約20臺，中原石化有2臺。
MAPAG公司的M型蝶閥在蝶板的密封面上設計成M形，其結構見圖11，這樣就使得蝶板與閥體之間形成了雙重密封，加之采用上、下兩段式閥桿，增加了閥門的流通面積，壓力損失及操作扭矩要比單桿式的蝶閥小。蝶板表面為球面，這樣可以提高密封效果，又可以防止卡死。閥座是完全的金屬密封，不存在任何軟密封材料，是絕對的防火設計。MAPAG蝶閥在吉林石化共2臺。
圖11 三偏心金屬密封蝶閥示意
3、裂解氣閥和清焦閥的選型及使用應該注意的事項
3.1、選型時應該關注的性能
最重要的是防焦性能特別是開位和開關過程的防焦性能。防焦的根本是防止裂解氣進入閥腔，技術核心是流道和閥腔的切斷性能，在開位和中間位有密封性的閥門防焦性好，應優先考慮。其次是耐顆粒性主要指密封面被保護，以免被顆粒覆蓋，造成密封失效。再次應當關注閥門壓力損失，以免影響系統產能;還要關注閥門連續使用周期和維修性能，也就是閥門的性價比。
3.2、使用時的注意事項
裂解氣閥和清焦閥是特殊閥門，是按使用條件而不是磅級進行設計的，故訂貨時的使用條件要提準確，特別是管線的載荷條件，包括力和力矩，由大小和方向兩個要素構成，以便制造商在設計時進行應力校核，模擬在線情況。管線載荷提得偏小，上線后閥體可能變形，造成動作失靈。而管線載荷提得偏大，閥門過重，成本上升，增加管線負荷，由于閥門口徑很大，安裝位置又很高，增加壁厚必然增加吊裝的難度，也不便于維修。
公稱通徑大于DN300(12in)的閥門，安裝時須加支撐，禁止用管線支撐閥門，閥門重量會使管線變形，增加管線應力，造成閥體變形動作失靈。支撐的目的是閥門不給管線施加載荷，同時閥門可以在支撐面上滑動，熱脹冷縮時管線又不給閥門施加載荷。
保持蒸汽持續吹掃閥體，加強巡檢，發現蒸汽管線變涼、堵塞，應立即疏通或更換，以免結焦。
4、結語
(1)裂解氣閥和清焦閥技術是隨著催化裂化技術的發展而不斷完善起來的，最早使用的閥型是楔式閘閥，由于其結構上的缺陷如底部存在結焦區、閥桿的熱膨脹容易使密封面過荷和密封面暴露在介質中容易夾雜固體顆粒等，逐漸被軟密封平板閘閥所替代。為滿足不斷延長的生產周期的需要，催生了金屬密封平板閘閥和平行式閘閥，后者是專為裂解和清焦工藝而發明的閥型，被各大裂解爐制造商看好和推廣。目前，國內裂解氣閥和清焦閥絕大部分采用金屬密封閘閥，采用三偏心金屬密封蝶閥的較少。
(2)裂解氣閥和清焦閥技術的發展還體現在執行機構上，最早的閥門多為手動，20世紀90年以后基本上為電動，最近15年向智能化遠程控制發展，不僅可以進行遙控操作，還可以進行遙控調試，提高了閥門的交互式性能。
裂解氣閥和清焦閥技術的發展還體現在安全性上，為防止切換時裂解氣倒流和清焦管線超壓，發展了清焦閥連動機構，進行超壓保護。
(3)隨著科技的進步，還會出現新的新結構、新的閥型和新技術。
(4)裂解氣閥和清焦閥的選用是項十分重要的系統工程，只有訂貨條件提準確、選型科學、使用合理、維護保養及時才能保證其正常運行。
參考文獻：
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