之前介紹JIS日標不銹鋼截止閥標準，現在介紹石油化工閥門(mén)耐火試驗要求介紹了國內外閥門(mén)耐火試驗的相關(guān)標準，總結了耐火試驗對閥門(mén)的影響。針對這些影響因素，分析了有耐火試驗要求的閥門(mén)在設計過(guò)程中要考慮的設計要點(diǎn)，包括密封件的選用，法蘭結構設計，閥座密封結構設計，閥門(mén)內腔結構的設計等。

1、石油化工閥門(mén)耐火試驗要求概述
石化行業(yè)和一些重要工況下使用的閥門(mén)，要求在發(fā)生火災之后還能保證一定的密封和啟閉性能。閥門(mén)樣機也需要經(jīng)過(guò)耐火試驗考核通過(guò)后才能投入使用。因此，閥門(mén)在設計時(shí)要考慮到耐火試驗的影響，從根本上保證閥門(mén)的耐火性能。石化行業(yè)對石化通用閥門(mén)和閥門(mén)的需求
石油化工是指以石油、天然氣為原料生產(chǎn)汽油、煤油、柴油、潤滑油及液化石油氣等石油產(chǎn)品;以輕質(zhì)油為原料生產(chǎn)烯烴、芳烴進(jìn)而生產(chǎn)合成樹(shù)脂、合成纖維、合成橡膠及各種化工原料等產(chǎn)品的現代工業(yè)。
石化行業(yè)有煉油廠(chǎng)、乙烯廠(chǎng)、化纖廠(chǎng)、化工廠(chǎng)、化肥廠(chǎng)等，現在已有不少大型聯(lián)合企業(yè)成為煉油、化工一體化的工廠(chǎng)。煉油廠(chǎng)生產(chǎn)裝置分為一次加工、二次加工、三次加工裝置以及輔助生產(chǎn)裝置。一次加工裝置是采用物理直餾的方法加工原油，獲得的產(chǎn)品稱(chēng)為直餾產(chǎn)品，所用裝置為常減壓蒸餾裝置。二次加工裝置是利用一次加工出來(lái)的產(chǎn)品進(jìn)行再加工，是物理-化學(xué)過(guò)程。目的是提高輕烴收率，提高產(chǎn)品質(zhì)量，增加油品品種、提高煉油廠(chǎng)經(jīng)濟效益，所用裝置有催化裂化、加氫精制、加氫裂化、延遲焦化、潤滑油生產(chǎn)裝置等安全閥。
乙烯廠(chǎng)：石化廠(chǎng)生產(chǎn)裝置中，乙烯裂解是個(gè)裝置。下游裝置包括樹(shù)脂系列如聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、ABS;化纖系列包括滌綸、腈綸、維綸、錦綸。
閥門(mén)：石化閥門(mén)是石油化工生產(chǎn)裝置中的zui多的設備，石化生產(chǎn)中各類(lèi)氣體和液體介質(zhì)都要通過(guò)各種閥門(mén)，按照生產(chǎn)過(guò)程需要被阻斷或輸送到各種容器和過(guò)程設備中去。石化生產(chǎn)常用的閥門(mén)分為通用閥門(mén)和閥門(mén)，石化通用閥門(mén)包括閘閥、截止閥、球閥、止回閥、蝶閥、減壓閥、安全閥、調節閥等;石化閥門(mén)包括催化裂化裝置中的滑閥和高溫蝶閥、延遲焦化裝置中的四通切換閥和堵焦閥、乙烯裂解裝置中的高溫裂解平板閘閥和低溫閥、聚乙烯和聚丙烯裝置中的固體閥門(mén)、合成氨裝置中的高溫高壓角式截止閥和節流閥等。
石化通用閥門(mén)：國內閥門(mén)制造業(yè)遍布全國，通用閥門(mén)生產(chǎn)企業(yè)達到1300個(gè)，已成為閥門(mén)產(chǎn)量和市場(chǎng)需求量zui大的國家之一。但是我國的閥門(mén)行業(yè)大多為中小企業(yè)，良莠不齊，年產(chǎn)值超億元的只有十幾家，即使與國內其他機械行業(yè)相比，無(wú)論在裝置上還是技術(shù)水平上也存在很大的差距，真正具有獨立研究開(kāi)發(fā)產(chǎn)品能力的單位很少。全國閥門(mén)產(chǎn)品規格型號達到40000多個(gè)，大部分已經(jīng)實(shí)現標準化、系列化，而且有的已經(jīng)可以按照標準生產(chǎn)。閥門(mén)的zui高使用溫度已經(jīng)達到570℃，zui低溫度達到-196℃、zui高壓力達到600MPa，zui大通徑達到5350mm。一般通用閥門(mén)基本滿(mǎn)足石化生產(chǎn)的大部分需要，但特種閥門(mén)如安全閥、截止閥、止回閥等產(chǎn)品，由于密封材料少，密封材料配對不當，熱處理工藝達不到要求，影響了閥門(mén)性能和使用壽命。自動(dòng)閥門(mén)如安全閥、減壓閥、疏水閥等，缺乏試驗研究手段，有些產(chǎn)品性能不穩定。蝶閥、節流閥等控制閥，由于缺少試驗手段，普遍沒(méi)有調節特性曲線(xiàn)和阻力系數曲線(xiàn)。電動(dòng)執行機構控制水平較低，控制不靈，精度不高。

2、石油化工閥門(mén)耐火試驗要求相關(guān)標準
國內外有關(guān)閥門(mén)耐火試驗的常用標準有JB/T 6899-1993、API 607-2010、API 6FA-1999、API6FD-2008和ISO 10497-2010等。不同的標準考核不同類(lèi)型的閥門(mén)(表1) 。閥門(mén)耐火試驗標準的規定主要包括耐火試驗時(shí)間，試驗溫度，閥門(mén)泄漏測試方法，耐火試驗后閥門(mén)的操作方法等( 表2) 。

不同類(lèi)型的閥門(mén)要根據客戶(hù)要求，依據相應的標準進(jìn)行耐火試驗認證。相同結構的閥門(mén)，可以按照標準規定的覆蓋評定原則進(jìn)行評定，不需要對每種規格的閥門(mén)都進(jìn)行耐火試驗考核。通過(guò)對各個(gè)標準的綜合分析和試驗驗證，使閥門(mén)在耐火試驗過(guò)程中滿(mǎn)足耐火試驗的閥門(mén)特點(diǎn)及設計要求。通過(guò)不同類(lèi)型閥門(mén)的耐火試驗驗證，閥門(mén)在耐火試驗過(guò)程中出現的主要問(wèn)題有外密封泄漏、閥座密封泄漏、閥門(mén)零件卡阻和閥體局部開(kāi)裂等。

(1) 閥門(mén)外密封泄漏

耐火試驗持續30min 以上，閥體表面溫度達到680 ～980℃，閥體內腔溫度高達600℃，這些會(huì )造成密封件燒毀，法蘭及緊固件熱膨脹或熱變形等，從而導致密封失效，泄漏超標。

表1 閥門(mén)標準及相關(guān)試驗閥門(mén)類(lèi)型

閥門(mén)耐火密封結構的設計與分析

(2) 閥座密封泄漏

閥門(mén)經(jīng)過(guò)長(cháng)時(shí)間的高溫會(huì )造成閥座燒毀、閥座與閥體脫離或閥座變形等情況，影響閥門(mén)的密封。

表2 閥門(mén)試驗技術(shù)規范

閥門(mén)耐火密封結構的設計與分析

(3) 閥門(mén)零件卡阻，無(wú)法啟閉或密封

零件高溫下變形、膨脹和應力釋放，導致閥門(mén)啟閉卡阻，影響正常操作，或者導致密封失效，不能達到密封效果。

(4) 局部閥體開(kāi)裂

閥體內的介質(zhì)在高溫環(huán)境中氣化，造成閥腔局部壓力過(guò)高，引起泄漏或閥體開(kāi)裂。

3、密封材料
閥門(mén)在耐火試驗中產(chǎn)生外泄漏的部位包括閥桿的填料密封，中法蘭的墊片密封，和其他與外部接觸的密封部位，產(chǎn)生內泄漏的部位主要是閥座密封。閥門(mén)設計中用到的密封件可以劃分為橡膠類(lèi)密封件，石棉類(lèi)密封件，塑料類(lèi)密封件，石墨類(lèi)密封件，復合類(lèi)密封件( 表3) 。表3 各種密封件使用環(huán)境閥門(mén)耐火密封結構的設計與分析

在閥門(mén)耐火試驗中，閥體外部達到680 ～980℃，測溫塊中熱電偶的測量溫度高達650℃，且持續保持30min。因此，如果閥門(mén)選用的主密封材料不能滿(mǎn)足耐火試驗的密封要求，就需要增加輔助密封結構，保證閥門(mén)的密封性能。

通過(guò)對各種密封材料的使用溫度對比，石棉類(lèi)、石墨類(lèi)和復合類(lèi)密封件的耐火性能較好，通常用來(lái)作為閥門(mén)的常規密封或輔助密封?？紤]到石棉類(lèi)的密封件被大部分國家和地區禁止使用，石墨類(lèi)密封件和金屬+ 石墨類(lèi)復合密封件是耐火設計閥門(mén)中的*選擇。

4、密封結構
(1) 中法蘭

閥門(mén)的中法蘭或其他法蘭結構是閥門(mén)在耐火試驗中的主要外泄漏點(diǎn)。根據多次耐火試驗證明，閥門(mén)中法蘭泄漏量占閥門(mén)總泄漏量的85% ～97%。

法蘭在耐火試驗中泄漏的主要原因在于高溫環(huán)境下，緊固件和法蘭發(fā)生高溫蠕變，造成密封系統應力松弛，墊片殘余壓緊力不足，zui終導致泄漏量增大，密封失效。

有耐火試驗要求的閥門(mén)在設計選材時(shí)，法蘭、緊固件和密封材料要盡量選用熱膨脹系數接近的材料，降低不同材料間熱膨脹系數對閥門(mén)密封的影響。

閥門(mén)及緊固件常用材料熱膨脹系數如表4 所示。緊固件的應變應考慮彈性應變和高溫蠕變的綜合影響，則εb為

εb = εbe + εbc(1)

式中εb———緊固件的總應變

εbe———緊固件的彈性應變

εbc———緊固件的高溫蠕變

表4 閥門(mén)用主要材料熱膨脹系數

閥門(mén)耐火密封結構的設計與分析

耐火試驗閥門(mén)的中法蘭密封件多采用金屬纏繞石墨墊片。金屬纏繞石墨墊片的試驗溫度，設計壓力，墊片加工過(guò)程中的殘余壓緊應力對耐火試驗過(guò)程中的泄漏量有著(zhù)較大的影響。墊片的泄漏率L 為閥門(mén)耐火密封結構的設計與分析

(2) 閥座

上海申弘閥門(mén)有限公司主營(yíng)閥門(mén)有：截止閥,電動(dòng)截止閥有耐火性能要求的閥座密封要考慮正常使用工況下的密封和耐火試驗下的密封2 種情況。金屬密封閥座的閥門(mén)在耐火試驗中的內泄漏會(huì )有所上升，但是通常都能夠達到試驗的要求。其zui主要的影響在于閥座的熱變形導致閥座與閥體之間的卡阻現象，從而造成耐火試驗后閥門(mén)無(wú)法正常啟閉，或啟閉力矩過(guò)大。因此，此類(lèi)閥門(mén)在設計時(shí)，要根據閥門(mén)的熱膨脹脹系數計算閥桿與軸套，閥座與閥體等配合件之間的配合間隙，避免出現間隙配合轉化為過(guò)盈配合，增大啟閉力矩。

非金屬密封的閥門(mén)在高溫時(shí)閥座會(huì )被燒毀或損壞。閥門(mén)在設計時(shí)要增設二次密封閥座。二次密封閥座在設計時(shí)要考慮到密封面粗糙度，閥座補償間隙，閥座密封性能等因素的影響( 表5) 。表5 非金屬密封閥座補償結構常見(jiàn)問(wèn)題及解決方法閥門(mén)耐火密封結構的設計與分析

(3) 密封腔體

很多閥門(mén)會(huì )有一個(gè)密閉的腔體，如球閥的中腔，閘閥的中腔，旁通類(lèi)閥門(mén)的平衡腔等。在常規的使用條件下，密封腔體不會(huì )影響到閥門(mén)的性能。但是，在耐火試驗時(shí)，密閉腔體中的介質(zhì)氣化，導致腔體壓力急劇升高。試驗證明，在密閉腔體中且介質(zhì)為水時(shí)，密閉腔體的壓力能夠升高達到13 倍，極易造成閥體開(kāi)裂，或密封損壞。

為避免此類(lèi)情況的發(fā)生，閥門(mén)內部的密閉腔體必須要設計卸壓結構。閥門(mén)中腔的卸壓結構分為自泄壓結構和裝置泄壓結構兩種形式。自泄壓結構就是利用閥門(mén)的內腔結構特點(diǎn)，在高壓環(huán)境中自動(dòng)實(shí)現泄壓功能，比如球閥的SPE 閥座結構。裝置泄壓結構，是指在閥門(mén)結構加裝高壓卸載結構，閘閥的閥體泄壓閥等。

5、結語(yǔ)
有耐火試驗要求的閥門(mén)在進(jìn)行設計時(shí)，要綜合考慮高溫、局部高壓和材料的熱膨脹系數等因素對閥門(mén)的材料、密封性能和啟閉力矩等因素的影響。針對不同的閥門(mén)類(lèi)型的問(wèn)題，提前給出解決方案，實(shí)現閥門(mén)的密封可靠性，保證閥門(mén)的耐火性能要求。與本文相關(guān)的產(chǎn)品有不銹鋼波紋管密封安全閥