介绍了一种苛刻工况用进口高温高压耐磨球阀的设计制造要点，特殊加工工艺及冷热交变循环试验的设备和程序，为高端阀门的国产化提供借鉴

在渣油、重油等劣质原油的加工过程中，由于其不仅黏度大而且含硫高，需采用特殊工艺装置才能保持汽油的辛烷值。沸腾床加氢、浆态床加氢、悬浮床加氢等是冶炼重质、劣质油的特殊工艺装置，其中沸腾床加氢工艺是目前加工重质、劣质油的最有效方法。该工艺需要加入固体催化剂，硬度达60HRC，直径约为50μm，操作温度为400~460℃，操 作压力为18~22MPa。沸腾床渣油加氢装置用的高温高压耐磨球阀，不仅需适应气、液、固三相工况， 而且要满足高温、高压条件下承受催化剂的冲刷、磨损和腐蚀，在温度、压力频繁变化的条件下，避免出现耐磨涂层剥落、疲劳交变等现象。

2.1  浮动球结构
通常，金属密封球阀大多为固定球结构。沸腾床渣油加氢装置系统内的介质含有固体颗粒，为防止颗粒进入弹簧腔，所以阀门设计成浮动球结构。进口端为浮动式阀座，安装预紧碟形弹簧。出口端为固定式双面密封阀座，阀座由压环固定在阀体内部（图1）。阀座的前面为凹球面，与球体形成密封副。阀座的后面有2种结构，一种是平面密封，与阀体出口端内孔的硬质平面形成密封副，另一种是球面密封（图2）。阀座的后面是凸球面，阀体出口端内孔加工成凹球面密封面，二者形成密封副，对超硬密封面的研磨和配研都很有益处。

                          图１ 沸腾床渣油加氢装置用耐磨球阀

                                     图２ 双球面阀座结构

2.2  W形双曲面缺口

为减少球阀在启闭瞬间介质对阀座的冲刷，降低介质的流速，在球体的孔口设计W形缺口。国 的一些产品也设计了W形缺口，但只是对缺口处进行修磨。将W形缺口改为双曲面型（图3~图5）， 双曲面型缺口可使球体内孔通道和球体外球面的连接处均为相切平滑过渡，避免相交尖角过渡，即使打磨也达不到相切效果。该球体孔和外球面均需硬化处理，W形双曲面缺口对防止局部应力集中和硬化层剥落起到良好效果。同时，双曲面型缺口增加了其加工工艺的复杂性，需要在五轴联动加工中心上安装edgecam软件进行编程才能完成。

                              图３ 球体通道口的 Ｗ 形缺口


                                          图４ 图3A-A剖视图

                                          图5  图3B-B剖视图

2.3  Ｔ形压力自紧密封圈
由于介质是高温高压且其温度冷热交变，对阀体、阀盖连接端的密封垫要求很高。法兰密封面设计2道密封，外面是榫槽连接面加缠绕式垫片，里面是T形自紧密封圈。该自紧密封圈的外侧各有15°斜面与阀体、阀盖的对应斜面组成密封副。该处密封副要求具有硬度差。Ｔ形密封圈采用F347H，经固溶和稳定化处理，硬度较低，但对阀体、阀盖的密封面则堆焊 STL硬质合金，能满足硬度差要求。T形自紧密封圈还有一个功能，就是当介质压力增大时，会使密封圈发生变形，贴紧密封面，达到自紧密封效果。
2.4  表面硬化处理
球体和阀座密封面可根据阀门不同的加工工况，选用超音速喷涂（HVOF工艺）、火焰粉末重熔 技术（SP工艺）和激光熔覆技术，来提高表面硬度和抗擦伤性能。超音速喷涂WC或CrC ，涂层厚度为0.3~0.6mm，硬度大于65HRC，结合强度约为100MPa，过渡层为机械结合。火焰粉末重熔和激光熔覆的过渡层为冶金结合，抗剥落的效果更理想。阀体内腔、流道和球体孔均采用超音速喷涂耐磨合金，提高抗冲刷性能，喷涂硬化层硬度为64~68HRC，结合强度大于69MPa，涂层的有效厚度为0.2~0.5mm。
2.5  阀杆
浮动球阀的开启扭矩很大，阀杆的设计不仅要选用耐腐蚀、耐高温、强度高的材料，而且能承受计算扭矩2.5倍以上的操作扭矩。阀杆下端外表面及凸台上平面应堆焊硬质合金，与填料接触表面用超音速喷涂硬化层，还要精磨并抛光，其表面粗糙度值Ra ＜0.1μｍ。

阀门在定型设计前，要用有限元对阀门的应力场、温度场等进行综合分析。
3.1  阀体、球体应力分析
通过模拟计算，得到阀体内壁等效应力分布图，如图6所示。阀体内壁最大等效应力分布在进出口流道处，最大等效应力约为185MPa，阀体内壁其余部位的等效应力较小，均小于标准规定的应力

                             图６ 阀体内壁应力分布
（１）阀体应力分析结果
由图6看出，阀体最大应力分布在进口端流道和阀杆孔处，最大等效应力约为153MPa，阀体内壁其余部位的等效应力较小，均小于标准规定的应力。
（２）球体应力分析结果由图6得出，球体最大应力分布在流道处，最大等效应力约为109MPa，阀体内壁其余部位的等效应力较小，均小于标准规定的应力。
3.2  阀杆应力分析
（１）阀杆等效应力分析
通过模拟计算，得到阀杆等效应力分布云图，如图7所示。阀杆最大等效应力分布在上端，最大等效应力约为275.09MPa，其余部位的等效应力较小，均小于许用应力。

                              图７ 阀杆应力分布图
（２）阀杆剪应力分析通过模拟计算，得到阀杆剪应力分布云图。阀杆最大剪应力为66.366MPa，小于材料的许用剪应力。
3.3  温度场分析
阀门在关闭状态下与介质接触，热交换达到平衡状态。阀体与介质接触的壁面最高温度在阀体中腔，为550℃，最低温度在出口端法兰，温度为190℃。阀门内壁温度场的分布如图8所示。

                             图８ 阀门内壁面温度场

由于耐磨球阀安装在渣油加氢催化的关键装置上，介质工况严苛，又是替代进口产品，所以阀门出厂前应进行下列三类试验：
（１）按API598标准进行出厂压力试验；
（２）冷热交变循环试验；
（３）静压寿命试验。
4.1 出厂压力试验
按照API598标准，在室温下进行壳体液压强度试验，高压液体密封试验，低压气体密封试验，还要进行开关动作试验（空载、带载各5次），观察是否有卡阻现象，还用带数显的扭矩扳手测试开关扭矩，分别记录开、关扭矩最大值。在室温下还要用氦质谱检漏仪按照ISO15848-2标准，检测体、盖连接处和阀杆填料函处的氦泄漏数值，应该达到标准B级要求。
4.2  阀门冷热交变循环试验
沸腾床渣油加氢装置主要分为两部分，第一是反应部分，第二是催化剂在线加排部分。催化剂在线加排部分存在温度（150~453℃）和压力（0~19.94MPa）交变情况，所以耐磨球阀应进行冷热交变循环试验。冷态（室温）试验内容和方法与阀门出厂压力试验的内容和方法相同，热态试验比较复杂。阀门热态试验装置由阀门加热系统、压力系统和测控系统组成（图9）。阀门加热系统由电阻丝加热的高温箱和阀门推送机构组成。压力系统由气瓶组、汇流排、调压装置、增压泵、气路切换箱、高压管路等组成。测控系统由传感单元、采集控制单元、控制回路、人机界面等组成

                                     图９ 阀门热态试验装置
阀门进行热态试验时，首先将阀门安装试压盲板、阀门内腔、填料函处、箱内等处放置温度传感器，另一端接入控制柜。当阀体内温度升至设定温度后，保温，进行空载开关试验，测试空载开关扭矩。然后向阀内充入额定压力的氮气或空气，进行带载开关动作试验，测试带载开关扭矩，并进行进出口2端压力密封试验，通过流量计分别测出进出口端的阀座泄漏量。测试后将阀门取出，冷却至室温，再按API598标准进行各项试验，包括开关动作试验、空载、带载扭矩测试和低泄漏试验。按照这样的冷热交变循环3次，才能认定为试验结束。
4.3  阀门静压寿命试验
S-zorb装置的反应过滤器用的高频球阀，开关操作为2.5万~3万次/ａ，所以在研制小口径 （DN≤50）阀门时，最好按JB/T 8861标准进行静压寿命试验。具有静压寿命试验设备的厂家较多，也可采用专业的检测试验系统，对产品的结构、选材、密封面硬化效果等可作出合理评判。

随着石油化工技术的提升，耐磨球阀的应用领域逐渐扩展，中压部分广泛应用在催化裂化、连续重整和S-zorb催化脱硫装置，高压部分主要应用在沸腾床加氢、浆态床加氢、悬浮床加氢、固定床加氢及煤气化、煤液化、煤焦油加氢等装置，另外在多晶硅行业、矿产行业、造纸行业等也都大量选用。