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焦化塔底阀研制及应用

文档作者：张玉峰梁宗辉刘晓东胡安铎文档来源：兰州石化公司机械厂		点击数：	更新时间： 2021年08月08日
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文章编号: 100225855 (2009) 0220022204
作者简介:张玉峰(1967 - ) ,男,总工程师,从事阀门设计和研究工作。
焦化塔底阀研制及应用
张玉峰,梁宗辉,刘晓东,胡安铎
(兰州石化公司机械厂,甘肃兰州730060)
　　摘要　介绍了焦化塔底阀在延迟焦化装置中的应用情况及国产焦化塔底阀的结构特点,分析
了焦化塔底阀的设计、制造、安装及使用方法。
　　关键词　延迟焦化;焦化塔底阀;浮动密封;蒸汽耗量
　　中图分类号: TH134　　　　文献标识码:A
Developmen t and applica tion of bottom unhead ing va lve for coke drum
ZHANG Yu2feng, L IANG Zong2hui, L IU X iao2dong, HU A n2duo
(M achine ry Fac tory of L anzhou Petrochem ical Company, L anzhou 730060, China)
Abstract: This paper p resents the s tructu ral featu res of the dom estica lly developed bottom unheading
va lve for coking d rum as w ell as the app lication rem a rks of the va lve in both hom e and abroad, espe2
cially ce rtain key poin ts on des ign, m anufacturing, ins tallation, and app lication a re deta iled.
Key words:DCU; bottom unheading va lve; f loating sealing; s team consump tion
1　概述
在现代炼油工业中,焦化过程是提高渣油中轻
质油产出率的重要途径。延迟焦化生产工艺是一个
半连续化过程,即当一个塔内焦炭聚结到一定高度
时进行切换,通过四通阀将原料切换进另一个焦炭
塔,系统切换后进行除焦。原来的塔用汽和水冷却
焦层至70℃以下开始除焦,除焦前先排放塔内残余
水分,再人工拆除塔底盲盖,利用从水力切焦器嘴喷
出的高压水(约30MPa)将焦炭切割下来,除焦结束
后人工安装塔底盲盖。这一过程一般24～48 h循
环一次,操作繁琐,辅助操作所需时间长,不易保养,
不利于安全及环保,运行成本及维修费用高。焦化
塔底阀的应用,取代了原有的焦炭塔底盲盖或塔底
盖机,减轻了工人劳动强度,缩短了除焦辅助时间
(可适当提高除焦温度,在每个结焦循环中,没有拆
卸、清洁、组装要求) ,增加了产量,减少了易损件消
耗,改善了除焦的劳动条件。使用焦化塔底阀后,焦
化装置改造成一个封闭的管线系统,使炼油设备在
结焦循环中连续运行。
2　结构设计
为了取代焦化装置塔底盲盖及塔底盖机,提高
装置使用的可靠性、安全性及经济性,焦化塔底阀应
具有易操作和易控制的结构型式,高实用和高可靠
的性能,较少的维修量和使用成本,较低的泄漏量,
承受热冲击的能力,完全适应进料工况及合理的制
造成本。
211　设计参数
设计温度　520℃
使用温度　500℃
公称直径　<1 500mm
设计压力　018MPa
最大操作压力　0135MPa
有效行程　1 600 mm
行程速度　533～400mm /min
防爆等级　ExdⅡBT4
泄漏量　介质零泄漏
与一般高温平板闸阀相比,焦化塔底阀的通径
较大( <1 500mm以上) ,泄漏量等级要求高。热油
在没有形成焦炭前如果发生泄漏会发生火灾,因此
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焦化塔底阀要求达到介质的零泄漏,而普通大口径
高温平板闸阀一般允许微量泄漏。为了适应工况需
求,阀门密封副必须能够随着温度的升降自动吸收
膨胀与补偿收缩,密封副必须为硬面密封,以便在开
阀过程中刮除焦炭。阀门需要与焦炭塔相关控制参
数实现联锁,以确保安全可靠。阀盖内部必须能够
屏蔽焦炭,即防止焦炭进入阀盖内部影响阀门正常
开关。
212　整体结构
焦化塔底阀(图1)由上部进料段、下部排焦段、
中间阀体(包括密封副等) 、左右阀盖、中间支架、动
力油缸、液压油站和逻辑控制箱等组成。
图1　焦化塔底阀阀体部分结构
　　焦化塔底阀采用平板闸阀形式,结构紧凑,易于
实现阀门全开状态时阀体与阀盖中腔的密封。国外
的焦化塔底阀一般没有中间支架,油缸杆起到阀杆
的作用,结构较短,增设中间支架后总长虽然增加约
1m,但易于实现机械锁位,并使油缸杆不进入阀体
内,便于更换填料、检修油缸。
中间阀体的上下阀口均可做为检修口,检修时
可不拆卸带进料段的上法兰。上部进料段的法兰采
用标准型凸凹面或榫槽型结构,下部法兰采用非标
准凸凹面结构的法兰。上下均可拆卸的法兰结构便
于加工和安装,检修及更换密封元件灵活性较强。
213　密封副
焦化塔底阀密封副由阀板和上下阀座组成,下
阀座为固定结构,上阀座为浮动结构,可自动吸收膨
胀与补偿收缩,保持阀板与阀座间的一定比压。阀
座总压力由弹性组件提供,弹性组件数量为60～65
组,每组由螺柱、螺母、弹簧座、耐高温碟形弹簧等组
成。弹性元件装入阀座前先预压,预压后将螺栓与
螺母点焊防松,装入动密封圈后继续压缩至所需压
力。高温时由于热膨胀,碟形弹簧压缩量增加,对动
密封圈压力也增加。因此阀板与座圈之间的比压增
大,开阀时由于温度降低,弹性元件恢复原有压缩
量,不影响阀门的开启力。
工作时阀盖内通蒸汽,蒸汽压力高于介质压力。
蒸汽通过阀板与座圈间隙泄漏到焦化塔内,起辅助
密封作用,即蒸汽密封。下阀座上表面安装的柔性
密封圈是防止蒸汽泄漏到大气中。填料则是防止介
质热油(未结焦前)进入弹性组件而结焦,影响弹簧
正常工作。
214　进料段结构
焦化塔可以有3种进料方式,即垂直进料、水平
进料及斜向上30°进料(图2) 。在没有使用焦化塔
底阀之前,进料方式一般为垂直进料,进料效果较
好。针对焦化塔底阀的实际结构,通过采用CFD技
术模拟计算了3种结构的进料情况。水平进料结构
对进料管对面的塔壁存在一定程度的冲击,并且进
料分布均匀性低。30°向上进料除焦时易发生堵塞
的问题。周向进料容易实现良好的进料分布,但模
拟显示,周向进料时现有结构的4个支管流速不均
匀,特别是最远端的支管与进料总管存在短路现象。
基于对各种进料方式的分析并参照国外成熟经验,
选择了斜向上30°进料方式。
215　焦炭屏蔽结构
焦化塔底阀在开阀的过程中大量吹扫蒸气通过
阀板开口溢出,压力减小,不足以阻止塔内焦炭粉末
或颗粒进入阀盖中腔(图3) 。当阀盖内存积大量焦
炭粉末或颗粒后,就会影响阀门正常开关动作,因
此,设计焦炭屏蔽罩(图4) ,防止焦炭粉末进入阀盖
中腔。
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( a)斜向上30°　( b)水平　( c)垂直
图2　进料方式
11阀盖　21阀体　31进料段　41阀板
图3　开阀过程中密封蒸汽大量泄漏
11阀盖　21焦炭屏蔽罩　31阀体　41阀板
图4　焦炭屏蔽罩安装位置及结构
　　屏蔽罩固定在阀体上。在开阀瞬间,允许蒸汽
通过的间隙很小,蒸汽耗量没有明显增大,保证了蒸
汽的压力,阻止了焦炭粉末或颗粒向阀盖中腔的泄
漏。
216　控制装置
焦化塔底阀采用电液执行机构相关设计参数如
表1所示。控制油站为单泵、一站两阀及泵控方案。
电气逻辑控制箱采用继电器逻辑控制,主要是把焦
化塔底阀与塔顶温度、塔顶压力等工艺参数进行逻
表1　电液执行机构设计参数
条件参数
全行程时间(开、关) ≤4m in
防爆等级dⅡB T4
行程1 600mm
防护等级不低于IP54
辑联锁, 实施控制室和现场操作站两级授权操作,
确保焦化塔底阀操作安全可靠。
3　设计计算
311　总密封力
根据文献〔1〕计算, 当PN = 016M Pa时, 对
于钢和硬质合金密封面, 宽度bm = 20～25mm 时,
密封比压Qm f = 218M Pa。另外, 其他粘性介质的液
体在温度超过100℃时比压增加至114倍(对于蒸
汽工况也相同) , 并考虑实际密封面宽度的影响,
采用总密封力相等的原则推算出的密封比压Qm f ′作
为该阀的密封比压设计值。
即
Qm f ′=
S ×Qm f ×114
S1
式中　S———密封面面积( bm = 25mm 时) , mm2
S1 ———实际密封面面积, mm2
312　方法兰螺栓强度验算
阀盖方法兰螺栓的强度验算是焦化塔底阀的设
计重点。因为在高温时, 螺栓的许用应力明显降
低, 特别是初加温时, 必须考虑由于温度差造成的
应力。
当介质温度达500℃操作温度时, 密封蒸汽对
壳体起冷却作用(密封蒸汽压力0145M Pa) 。设蒸
汽温度250℃, 按300℃得温度差(初加温时) 为
20℃, 法兰温度为250 ×0154 = 125℃, 螺栓温度
为125 - 20 = 105℃, 〔σL 〕300℃ = 220M Pa。中低压
阀门初加温时, 螺栓计算载荷
QL Z ′=QL Z +Qt ′
式中　QL Z ———常温时螺栓计算载荷, N
Q t ′———初加温时螺栓温度变形力, N
Q t ′=
Δt′αL
L
FL EL
+
δD
P
FD P ED P
Δt′———为初加温时温度差, ℃
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α———材料线胀系数, 1 / ℃
L ———螺栓计算长度, mm
FL ———螺栓总截面积, mm2
EL ———螺栓材料弹性模量, M Pa
δD
P ———垫片厚度, mm
FD P ———垫片面积, mm2
ED P ———垫片材料弹性模量, M Pa
常温下螺栓计算载荷为操作温度下总作用力
Q ′或最小预紧力Q ″中较大值。
Q ′=QDJ +QD F +QD T +QFZ ′+Q附加
Q ″=πDD PBN qYJ KD P
式中　QDJ ———垫片处介质作用力, N
QD F ———垫片上摩擦力, N
QD T ———垫片弹性力, N
QFZ ′———关闭时阀杆总轴向力, N
Q附加———因执行机构、支架阀盖等自重产生
的载荷, N
DD P ———垫片平均直径, mm
BN ———垫片有效宽度, mm
qYJ ———密封面预紧比压, M Pa
KD P ———形状系数
因此, 螺栓应力
QL =
QL Z ′
FL
中低压阀门高温时载荷QL Z ″为
QL Z ″=QL Z +Qt ″
式中　Qt ″———常温时螺栓温度变形力, N
Qt ″=
Δt″αL
L
FL EL
+
δD
P
FD P ED P
Δt″———高温时温度差, ℃
313　填料压紧力
在设计焦化塔底阀填料函时, 需计算填料压紧
总力, 以此作为设计填料压盖螺栓的依据。压紧填
料的必须比压q为
q =ψp
式中　q———必须比压, M Pa
p ———工作压力, M Pa
ψ———轴间比压系数(按石棉填料考虑ψ =
3165)
填料压紧总力为
QYT = sq =
π (D2 - d2 )
4
q
4　安装
延迟焦化装置焦化塔下法兰不能够承载质量近
40 t的焦化塔底阀, 因此需要考虑支撑问题。另外,
由于焦化塔受热时会发生轴向膨胀现象, 因此, 必
须有弹性元件高温时吸收膨胀, 降温时补偿收缩。
根据焦化塔裙座到阀板的距离及15C rM o等材料的
线膨胀率, 可计算出500℃时系统的膨胀量, 按阀
体总重及膨胀量的计算值, 制作了可调式弹簧吊挂
(图5) , 每个弹簧吊挂最大可承载14 t, 压缩量超
过50mm。
另外, 安装时, 需要接蒸汽管线、调节阀、疏
水阀、压力表及手动闸阀等以确保密封蒸汽压力的
准确及排凝的顺畅。
蒸汽吹扫系统既能提供阀体和阀座上的蒸汽伴
热, 及进料生焦对阀座和阀板间密封的隔离, 提高
其密封可靠性, 又能在除焦时阻止焦水和焦粉进入
阀盖内部。
图5　吊点位置
5　结语
焦化塔底阀在设计过程中, 充分考虑了材料的
热胀冷缩特性, 在不同温度下使密封面的比压保持
在合理的范围内, 阀门密封性能更加可靠。考虑了
由于温度差给紧固件带来的附加应力, 并且避免了
(下转第38页)
2009年第 2期 　　　　　　　　　　　　　　　　　阀 　　　门 　　　　　　　　　　　　　　　　　—　2　5 　—　　　　
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AutoCAD中,对话框设计一般采用DCL 语言,但由
于DCL语言不是可视化编程语言,在形成复杂界面
和使用数据库关联组件的时候显得力不从心。而
Delphi丰富的可视化编程工具和强大的数据库关联
组件,使这部分工作变得轻松和有效。
操作界面主要分为法兰结构生成界面和法兰参
数维护界面。
在法兰结构生成界面中, 用户确定“材料大
类”、“标准类型”、“法兰类型”、“密封面”、“压力等
级”,系统将自动显示法兰亚元图,并与数据库实时
通讯,在参数列表中实时反映符合要求的法兰结构
数据,实现交互式对话操作,根据所编辑参数,可以
直接参数化生成所需法兰结构图形。
法兰参数维护界面,主要用于参数维护,特别是
非标结构的自定义操作和未纳入的标准参数扩充,
普通用户借此可以建立自己的法兰结构数据库,系
统将自动将其接入法兰结构生成界面,在操作上具
有完全相同的形式。但在数据纳入前,要合理归类,
以方便设计时的数据检索。
界面设计时要充分考虑系统的友好与容错,要
有一定的提示与警告设置,并注意界面美观合理。
6　结语
采用计算机辅助设计方法来解决繁杂的法兰结
构设计问题是一次有益的尝试,开发过程中要注意
开发环境、开发工具的合理选择,数据的组织,程序
结构和界面设计是其中的关键,集成的工作环境,稳
定的性能和开放的数据结构可以大大提高系统在工
程应用中的实用性和适应性。
参考文献
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2004.
(收稿日期: 2008101108)
(上接第25页)
开阀过程中,焦炭粉末大量进入阀盖中腔,同
时设计中实现了本设备与其相关阀门的逻辑
联锁,提高了安全性。在开工初期,由于受交
变温度的影响,许多法兰连接螺栓均出现松
动现象,需定期预紧。增加预紧碟簧后,效果
较好。阀门于2008年7月投入使用至今,状
况良好,未发生故障。
参考文献
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版社, 2002.
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ans,LAMarch 11 - 13, 2002.
(收稿日期: 2009101119)
(上接第28页)
变形量,由于受螺栓安装预紧力的限制,增加
的余量不多,可考虑通过设置碟形弹簧垫片
来进行补偿。
4　结语
低温阀门与通用阀门在设计、制造和检
验方面有很大的差别,尤其是低温阀门密封
材料选用和密封结构的设计更为复杂。因此
在设计低温阀门时,除了遵守阀门的一般设
计规则外,还必须根据介质特性和最低工作
温度选用合适的密封材料,并尽可能采用柔
性密封结构,使低温所造成的不利影响得到
有效补偿。在精加工前,对所有低温金属材
料必须进行深冷处理,使材料低温变形最小。
对新设计的低温阀门必须经过常温试验和低
温试验的验证。
参考文献
〔1〕　杨源泉. 阀门设计手册〔M〕. 北京:机械工业出版社,
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〔5〕　BS 6364: 1984,低温阀门〔S〕.
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(收稿日期: 2009101116)
— 38 — 　　　　　　　　　　　　　　　　阀 　　　门 　　　　　　　　　　　　　　2009年第 2期

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