一 概述
随着石化工业的迅速发展,尤其是近年来原油变重、质量变差以及对汽油、柴油等轻质油需求量的不断增长，而且环境保护要求愈加严格，因此渣油加工方案的选择显得尤为
重要，沸腾床渣油加氢裂化技术具有渣油转化率高、适应原料广、环境污染小、投资回报率高等技术优势，已被广泛应用，然而金属密封球阀作为该装置的关键控制设备，
因此对此类阀门的设计也提出了更高的要求。
二 分析
沸腾床渣油加氢裂化工艺的主要反应介质为渣油（含硫化物）、氢气和固体催化剂，介质的状态为气、固、液三相，由于该工艺在反应过程中会破坏渣油原料的稳定性，导
致未转化渣油产品容易在高温下析出不稳定物质如沥青质等，同时，沸腾床渣油加氢裂化装置在催化剂的添加和回收过程中存在温度和压力的交变，而沥青质等在温度较低
时容易冷凝，因将会导致后续的阀门、管线等出现结焦，就金属密封球阀而言，沥青质会在阀腔及弹簧腔等空腔部位结焦，造成阀门弹性元件失效，阀门开关不到位，阀门
内漏，启闭扭矩增大，甚至无法动作等。介质温度和压力的同时交变给传统的靠螺栓提供密封力矩的法兰垫片密封形式增加了难度，因为这种交变会导致阀门产生外泄漏，
而外泄漏是绝不允许的。另外，该工艺还具有高温、高压、临氢、含硫化氢和催化剂的特点，因此阀门材料的选用及设计环节对阀门结构的选择和对零件线性膨胀的考虑格
外重要，介质临氢并伴随硫化氢时，高温高压下氢原子进入金属内部，会对金属产生“环境氢脆”，使金属强度降低，甚至丧失强度，硫化氢达到一定浓度时会使金属产生快
速均匀应力腐蚀开裂。介质中催化剂的洛氏硬度值达到58.6HRC，硬质颗粒在高压差下会对阀门形成磨蚀和流线冲蚀，导致阀门零件及密封副等受损，阀门产生内漏。金属
密封球阀作为沸腾床渣油加氢裂化装置的重要控制设备，根据其运作的特殊性，须满足双向密封的要求。
三 阀门设计
结合上述工况特性、相关技术要求以及阀门在运行中实际出现的问题，下面以8”-Class2500阀门规格为例阐述沸腾床渣油加氢裂化装置金属密封球阀的设计。
（一）设计标准
阀门的设计、制造与检验按照ASME B16.34《法兰、螺纹和焊连接的阀门》的规定；阀门的结构长度按照ASME B16.10《阀门的面对面和端对端尺寸》的规定；阀门的试
验按照API 598《阀门的检查和试验》的规定；阀门的低泄漏检测按照ISO 15848《工业阀门-低泄漏测量、试验及资格认定程序》的规定；阀门材料的选择符合NACE MR
0103《腐蚀性石油炼制环境中抗硫化物应力开裂材料的选择》的规定。
（二）材料选择
阀体材质：选择ASTM A182 Gr.F321/F347/F347H等高温用锻制不锈钢材料，高温高压下强度高, 耐腐蚀性能好。
球体、阀座、阀杆材质：选择ASTM B637 Inconel 718等高温用锻制沉淀硬化镍合金材料，高温高压下强度高，抗氧化性能、耐应力腐蚀开裂和抗点蚀性能良好。球体与
阀座选用相同的材质使得在热冲击和介质温度交变的情况下，球体与阀座产生相同的热膨胀（同种材料具有相同的热膨胀系数），防止阀门的球体与阀座在高温下抱死。
填料材质：采用高纯度组合式模压膨胀石墨，上下两圈填料内部含有均匀的Inconel金属线，高压下抗挤出性能好，摩擦系数小，高温下综合性能稳定，能够满足阀门的低
泄漏要求。
弹簧材质：采用沉淀硬化镍合金材料Inconel 718，耐腐蚀性能好，尤其在高温下具有良好的韧性和疲劳强度。
（三）结构设计
如前面所讲，沸腾床渣油加氢裂化装置具有高温、高压、气固液三相介质、介质中含有高硬度催化剂、温度压力周期交变、介质易结焦等特性，因此，阀门结构的选择也
是重中之重。就同种设计参数而言，固定球阀的启闭扭矩较小，更加经济，但是固定球阀上下轴承同轴度要求高，再加上其固有的结构特点：球体固定，阀座浮动，应用
在这种严苛工况下容易卡死，维修率高，从装置上实际运行的金属密封固定球阀来看，情况亦是如此。浮动球阀相比固定球阀，启闭扭矩相对较大，成本也相对较高，但
是由于其结构特点是球体浮动，阀座固定，所以结构更简单，密封更可靠，不易卡死，维修率低，使用寿命更长。
综合分析，作为沸腾床渣油加氢裂化装置的关键控制设备，选择金属密封浮动球阀更加有利于装置长期稳定运行，下面从浮动球阀的结构方面详细说明。
1. 高温高压自紧密封结构
主阀体与副阀体的密封采用高温高压自紧金属密封环，选用 Inconel 镍基合金材料,并且在其表面镀金处理。该金属密封环属于弹性密封，中法兰螺栓施加在密封环上的力
作用在楔面上引起径向变形产生初始密封比压，随着内部介质压力的增加，密封面受到的压力也随之增加，从而实现自紧密封，同时，温度和压力交变时,密封环弹性变形
产生预紧力,亦能保证阀门中法兰连接可靠密封。
2. 填料活载结构
阀杆填料箱的密封采用高温高压组合式模压成型柔性石墨填料，填料压板采用碟型弹簧预紧防松，防止在填料磨损后以及温度、压力交变时产生泄漏。碟簧机构设置定位
套，便于控制碟簧的导向和压缩量，延长碟簧、填料的使用寿命。
3. 阀杆台肩双止推轴承结构
双止推轴承的设计使阀杆转动时止推轴承进行滑动，保证了阀杆台肩部位在高温热膨胀下或介质结焦时不易被卡死，同时，阀体、止推轴承和阀杆之间形成初始密封，有
效阻止介质进入上部填料部位，防止填料密封系统受到损坏。
4. 阀座结构
阀前阀座背部采用碟簧加载，提供初始密封比压，确保阀门球体密封面与两阀座密封面紧密接触，使阀座受力均匀，即使在高温以及温度和压力高低交变的情况下，也能
有效补偿内件受热膨胀对密封产生的影响，同时消除了阀内件受热膨胀而产生卡阻的可能性。阀座尾部设计有防尘圈，可以有效阻挡催化剂等颗粒性介质以及易凝结介质
进入弹簧腔造成弹簧失效。阀后阀座为主密封阀座，阀座尾部与副阀体对应接触面均堆焊硬质合金，经过高精度配对研磨，形成金属对金属密封，另外阀座还设置了高纯
度柔性石墨密封环作为辅助密封，增加了密封可靠性。阀后阀座用挡圈和内六角螺钉固定在副阀体上，配合紧密，当阀门有反向压力时，阀座和副阀体密封面也不会脱离
形成间隙，因此催化剂等介质无法进入到阀座密封系统，不会对阀座密封产生影响。同时，这样的结构设计使得阀座的加工、阀座密封面的硬化及研磨工艺性更好。
5. 阀座密封面刮刀结构
阀前阀座和阀后阀座的密封面均设计有刮刀结构，在阀门开启和关闭过程中刮刀能对球体密封面进行自动刮擦，清除表面粘合物，同时还可以防止催化剂等颗粒性介质进
入阀座密封区域对阀座的密封性能产生影响。
6. 球体防冲刷结构
球阀在开启和关闭瞬间，球体与阀座会在球口位置形成类似椭圆形过流面积，而椭圆形过流面积会对管道里的流体起到节流作用，这样会导致流体在经过椭圆形过流面积
处时瞬间产生更高速度，而高速流体会对球口和阀座产生严重冲刷及磨损，造成球口和密封面涂层剥落、密封副损坏，这种情况在高压管道中更为明显。因此，通过流体
动力学分析，将球体的球口设计为非对称的开口形式，加大了阀门开启和关闭瞬间球口的过流面积，改变了流体经过球口时的形态，通过将流体扩散，降低了流体的速度，
有效减轻了高速流体对球口和阀座的冲刷及磨损，延长了阀门的使用寿命。
（四）密封副硬化工艺选择
球体与阀座密封面耐磨材料和硬化工艺的选择是金属密封球阀耐磨性能最为关键的技术之一，直接决定着阀门的使用寿命和使用性能，需要考虑工况压力、温度、腐蚀
性、介质硬度、阀门开关频率等因素。此外，还需要考虑密封面耐磨材料与基体材料的结合强度、耐磨涂层的厚度、硬度、抗擦伤性能及基体材料的硬度等因素。目前，
常用的密封面硬化技术主要有两种：氧乙炔焰喷焊及重熔技术、超音速氧焰喷涂技术（HVOF）。基于沸腾床渣油加氢裂化装置高温、高压、气固液三相介质、介质中
含有高硬度催化剂颗粒、温度压力周期交变、介质易结焦等特性，球体和阀座密封面硬质合金涂层与基体材质应实现冶金结合才能保证更高的结合强度和更低的孔隙率，
结合强度应不小于基体的屈服强度。密封面的硬化工艺可选择“超音速喷涂（HVOF）+重熔”、“喷焊+重熔”及激光熔覆等，确保涂层的耐磨性能和抗冲蚀性能。
四 结语
沸腾床渣油加氢裂化工艺过程存在气、固、液三相混合介质，阀门作为该装置中重要的控制设备之一，对其提出了耐高温、耐高压、耐磨蚀，耐冲刷、耐温压聚变、抗
结焦、零泄漏、不卡涩和长寿命等要求，而福凯斯的金属密封浮动球阀具有全通径、流量大、流阻小、结构简单、密封可靠、不易卡涩、开关方便和维修方便等优点，再
结合合理的结构设计以及特殊的密封面硬化工艺，因此得到了广泛应用。
