导热油控制阀设计选型探讨

濮冬生

(德希尼布化学工程(天津)有限公司，上海 200030)

聚酰胺装置缩聚反应对介质温度要求非常严苛，要求反应温度为270～290 ℃。导热油具有抗热裂化和化学氧化的性能，传热效率好、升温快、热稳定性好，常被用来做传热介质。导热油控制阀合理选型是控制缩聚反应温度的前提，也是缩聚反应能否安全、平稳、高效运行的关键因素。本文将总结导热油控制阀在实际工程应用中出现的一些问题，并结合相关理论分析探讨导热油控制阀的设计选型。

1 导热油特性及应用工况简介

高温导热油的渗透性很强(约是蒸汽的50倍)，过量的吸入会引起头昏眩晕、恶心呕吐、恍惚嗜睡，严重的甚至会呼吸困难或丧失意识。参照GBZ 230—2010 《职业性接触毒物危害程度分级》[1]中规定，高温导热油的危害等级为中度危害(Ⅲ级)。

典型缩聚反应工艺流程如图1所示。热油经过入口气动开关阀(XV-01)通过缩聚反应器热油泵输送至换热器，经调温后再送至缩聚反应器，一部分热油通过缩聚反应器回流至缩聚反应器热油泵。缩聚反应器热油进口管线温度变送器TT-02和热油管线气动控制阀TV-02A/B组成分程控制系统，精确调节热油温度。

2 导热油控制阀应用中的常见问题

导热油控制阀在应用中的常见问题如下：

1)气动开关阀类型选择错误。导热油介质具有高温下渗透性强及中等毒性的特点，选用气动球阀不能满足阀杆处的密封等级，会产生外漏，导致热油浪费，并对人体和环境产生危害。

图1 典型缩聚反应工艺流程示意

2)非波纹管密封控制阀填料易造成泄漏。阀门填料用于阀杆与阀盖之间的密封，若不采用波纹管密封控制阀，易产生泄漏，泄漏原因主要有： 阀杆与推杆不同轴导致填料变形引起的泄漏，阀杆强度不够导致阀杆发生弯曲引起的泄漏。

3)对波纹管的循环寿命无要求。波纹管循环寿命指在循环寿命内波纹管不允许出现疲劳、失效、损坏等现象。波纹管选型时除对阀杆处的密封等级及材质有要求外，还需对波纹管的循环寿命有较高要求。

4)波纹管密封开关阀角行程限位开关无反应。阀门限位开关是检测阀门状态的一种现场仪表，Globe开关阀选用角行程限位开关和直行程转角行程安装附件，短时间内能正常运行，但在长时间工作情况下，直行程转角行程安装附件产生形变，导致角行程限位开关无反应。

5)波纹管密封控制阀内漏超标。阀座密封环通常采用填料进行压紧，当阀座密封环受到介质持续冲刷，易造成填料松动，或采用石墨密封圈时在高温下发生蠕变均会导致密封失效，致使阀门不能全关到位造成内漏。

3 导热油控制阀设计选型

3.1 控制阀型式选择

根据导热油的中度毒性危害，工艺专业要求导热油阀门的阀杆处的密封等级需满足GB/T 26481—2011《阀门的逸散性试验》[2]规定的B级要求(密封试验气体为氦气)。柔性石墨填料阀杆处的密封等级只能达到C级要求，若选择石墨填料结构的阀门就不满足工艺专业要求的阀杆处的密封等级，因此只能采用聚四氟乙烯(PTFE)填料结构或波纹管密封结构的阀门。

气动控制阀常规阀体为截止阀。导热油介质温度达到280 ℃左右，PTFE填料结构不满足介质温度要求，因此导热油介质气动控制阀选用波纹管密封结构截止阀。

气动开关阀常规阀体为球阀， PTFE填料结构球阀不满足280 ℃的介质温度要求，波纹管密封结构球阀从结构上无法实现。常规波纹管密封结构的阀门为截止阀和闸阀，因此对于导热油介质气动开关阀选用波纹管密封截止阀。

3.2 控制阀的波纹管选型

波纹管的主要作用就是密封，防止管道中导热油介质(气体)流过阀门时，从阀门中顺着阀杆泄漏。

3.2.1 波纹管材质选择

波纹管材质有316不锈钢、316Ti不锈钢和合金625等。选择波纹管材质时应参考厂家常规波纹管材质，并对照ASME B16.34： 17[3]内各类材质的压力-温度额定值。

3.2.2 波纹管循环寿命

波纹管的一个循环周期被定义为阀门完全打开至完全关闭再至完全打开。波纹管循环寿命设计应按照波纹管循环寿命等级[4]进行合格测试，见表1所列。导热油介质波纹管循环寿命要求为1×104次，应选择C级。

表1 波纹管循环寿命等级

3.2.3 波纹管外漏测试

波纹管密封控制阀的测试和认证应经第三方认证确认并符合 GB/T 26481—2011， ISO 15848-2或同等规范的要求。

3.3 控制阀阀体及阀内件材质的选择

控制阀材质的选择应根据管道材质，导热油介质的温度、压力，渗透性以及材料造价等因素综合考虑。针对导热油介质特性并结合工况特点，建议阀门主体材料优选与管道同材质的锻件，常见的有WCB。

控制阀内件材质选择时需要考虑导向部件的热强度和热膨胀系数、阀芯及阀座材质的硬度和热膨胀系数、材质的焊接和堆焊工艺等。同时查阅文献[3]中各类材质的温度、压力使用范围，避免因选材不合理导致的内件擦伤和卡死现象。导热油控制阀阀芯和阀座应考虑堆焊硬质合金，如阀座堆焊Stellited 合金。

3.4 控制阀口径选择

导热油介质气动波纹管密封控制阀采用等百分比流量特性计算流量系数CV值，气动波纹管密封开关阀(截止阀)选择当前管道管径下的最大CV值。以下介绍气动波纹管密封控制阀的CV计算，国内一般用KV表示，国际上用CV表示。

3.4.1KV的计算公式

导热油介质为不可压缩流体，根据伯努利方程[5]推导出流量系数KV如式(1)所示。

(1)

CV=1.156KV

式中：p1——阀前绝对压力，kPa；p2——阀后绝对压力,kPa；qV—体积流量,m3/h；ρ——流体密度,kg/m3。

3.4.2 气动调节阀口径选择

根据式(1)计算出KV或者CV；再按所选气动波纹管密封控制阀厂家资料向上一档选取选择流量系数KVS或CVS；然后按照控制阀相对开度验算公式[7]验算开度。若最大流量开度验算大于90%，则应取向上一档CVS再验算开度，直至最大相对开度不大于90%。开度验算结果符合要求后，则选择相应的控制阀口径。应注意的是： 控制阀的口径选择不宜小于所在管道口径的50%。相对开度验算公式如式(2)所示：

(2)

式中：I——等百分比控制阀相对开度，%；KVS——选择流量系数；R——控制阀可调比，本文取50。

3.4.3 气动控制阀计算实例

导热油介质为液体，t=280 ℃，p1=300 kPa，p2=230 kPa，ρ=866 kg/m3，qVmax=21 m3/h，所在管道管径为DN80，计算如下：

1)根据已知条件，代入式(1)，计算得KV≈23.358。

2)选定口径：

a)根据厂家资料查出比23.358大一档的KVS为25。

b)将KVS=25代入式(2)进行开度验算得I≈98%>90%，则选择再大一档的KVS=40，再代入式(2)计算I≈86%<90%。即开度为86%满足要求，查询资料选择对应的阀门口径DN50，DN50大于管道尺寸的50%。

3.5 气动开关阀限位开关选型

导热油气动波纹管密封开关阀为直行程阀门，通常阀门厂家提供的限位开关一般由2个角行程限位开关集成在1个接线盒内组成。

限位开关的类型分为感应式和机械式，本文只介绍机械式限位开关。角行程机械式限位开关原理： 气动波纹管密封开关阀行程通过指针上的杆连接器和限位开关的连杆传动；阀门行程通过轴转换成角行程；轴上带2个开关盒，每个开关盒带可调的凸轮盘；每个凸轮盘通过安装到开关杆上的滚轮来操控双掷开关；可通过调节螺丝调整限位开关功能和限位值。角行程机械式限位开关原理如图2所示。

图2 角行程机械式限位开关原理示意

由图2可以看出，角行程限位开关能否反映直行程阀门的位置取决于阀门行程连接杆、指针、轴和连接到阀杆上的杆连接器。在实际应用过程中，导热油气动波纹管开关阀的角行程限位开关在刚投入使用时可正常工作，但运行一段时间后会出现阀门全开和全关限位开关无反应。根据现场改造经验，采用2个单独的直行程限位开关直接监测阀门位置较为合适。

3.6 其 他

气动波纹管密封控制阀减压结构形式在选择时需考虑以下因素：

1)从现场维护的角度，阀体与阀座优选分体式结构，阀座与阀体优选金属密封环设计，以避免因石墨在高温环境下的蠕变造成密封等级降低现象。

2)考虑到阀芯频繁动作导致的焊缝失效或销钉剪断带来的风险，建议阀芯与阀杆连接优选芯轴一体式结构。

3)根据导热油介质特点，阀杆应优选强度高且膨胀系数与主体材料接近的材质。

4 结束语

导热油波纹管密封控制阀在缩聚反应工况中起着关键作用。导热油介质在高温下渗透性强和中等毒性的特点在控制阀设计选型中常会被忽略。本文从导热油性质出发，对导热油控制阀在实际工程应用中出现的问题进行了分析与总结，在此基础上结合理论分析探讨了控制阀型式选择、波纹管的选型、控制阀口径选择及限位开关的选型，对工程设计人员进行导热油控制阀设计选型有一定指导意义。