S-Zorb裝置國產耐磨球閥的應用

李俊，諸利君，王輝

（浙江中德自控科技股份有限公司，浙江 湖州 313100）

0 概述

隨著各國家、組織對環境質量越來越高的要求，汽油含硫量指標也日趨嚴格，在這樣的背景下，對煉油企業汽油脫硫技術提出了更高的要求，S-Zorb裝置應運而生。

S-Zorb技術是由ConocoPhillips公司設計研發的，針對催化裂化（FCC）汽油餾分的吸附脫硫技術，具有脫硫效率高和辛烷值損失小的特點，該技術主要采用吸附原理，采用氧化鋅、氧化鎳以及鋁硅組分的吸附劑，在脫硫過程中，氣態烴與吸附劑接觸后含硫化物被吸附在吸附劑上，在吸附劑的作用下C-S鍵斷裂，硫原子從含硫化物中去除并留在吸附劑上，而烴分子則返回到烴氣流中，該過程在反應中不產生H2S，從而避免了H2S與烯烴反應生成硫醇而造成硫含量和氫耗的增加[1]。

1 S-Zorb耐磨閥使用工況及主要廠家

一套S-Zorb裝置工使用程控球閥57只，其中閉鎖料斗球閥31只，閥門現在基本使用進口產品，存在價格昂貴、使用壽命短、維修費用高、售后時間長等一系列問題，嚴重影響著S-Zorb裝置的正常運行[2]，且進口球閥也大多存在密封面磨損的情況，使用壽命短。該裝置閥門主要難點在于：①吸附劑顆粒硬度可達HRC62,超過了一般表面涂層的厚度，密封面磨損快。②閥門啟閉頻繁（20min～30min開關一次）。3、閥前閥后壓差大，最大工作壓差4.26MPa，溫度可達427℃。

針對該裝置閥門工況的特殊性，對上海高橋、北京燕山、鎮海煉化、安慶石化、洛陽石化5家煉油廠的S-Zorb裝置的球閥進行調研，目前主要的進口閥門廠家有：美國MOGAS,加拿大GOSCO，意大利VTI，以及美國的美卓。

2 S-Zorb耐磨閥的結構及故障分析

1）進口廠家大多采用傳統的浮動硬密封球閥的結構設計，浮動球閥結構如圖1 所示。密封原理：浮動式球閥的球體是浮動的，在介質壓力作用在球體球面時，球體產生一定的位移并緊壓在出口端閥座的密封面上，保證出口端密封。由于介質推動有效作用面積大，相比固定球，有更大的密封比壓，提高了密封性能，但相對的也增加了閥門的啟閉力矩。

圖1 浮動式球閥結構圖Fig.1 Floating ball valve structure

圖2 浮動式球閥結構圖Fig.2 Floating ball valve structure

圖3 閥座球體刮傷Fig.3 Seat sphere scratches

圖4 球體基體變形Fig.4 Sphere matrix deformation

2）密封結構：如圖2所示，浮動球閥介質一般按箭頭所示方向流動，由預緊碟簧提供初始預緊比壓，使閥前閥座緊密貼合在閥芯上，在開關過程中，球體往閥后微量位移，預緊碟簧將推動閥前閥座繼續緊密貼合在閥芯上，防止介質進入閥芯與閥座之間影響密封性能。

在S-Zorb裝置中，部分閥門需承受雙向壓力，如上游再生接收器與閉鎖料斗之間的XV-2048，XV-2049的閥門，充氮氣與放料時，裝置將存在方向壓差，閥門出口端的介質壓力高于閥門進口端的介質壓力[2]，介質將從圖2箭頭反方向進入閥門，閥門全關時，介質將球體推往預緊碟簧一端，碟簧壓縮，而另外一端無預緊機構，導致了出口端閥座與球體有微量的間隙，吸附劑顆粒進入密封面，與介質中的油氣，蒸汽等凝結，吸附在球體表面，高硬度的吸附劑顆粒及頻繁的啟閉，造成球體及閥座表面刮傷，如圖3所示。

圖5 雙浮動閥座浮動球閥結構圖Fig.5 Double floating seat floating ball valve structure

3）基體與表面硬化處理，目前國外進口閥門廠家針對S-Zorb裝置耐磨球閥，大多采用鎳基合金如F304、F316等做為基體材質，表面噴涂WC，CRC等，噴涂由于工藝與材質的限制，一般涂層的厚度在1mm左右，冷噴的厚度將更薄。由于浮動球在全關時，球體在高壓差的作用下，將沖擊向閥座，鎳基合金本體硬度較低，導致密封面塌陷變形，造成局部泄露，磨蝕密封面。

3 解決方案

鑒于對以上常見故障的分析及現場的工況，對S-Zorb耐磨球閥進行針對性設計，以提高耐磨球閥的使用壽命。

1）浮動球雙浮動閥座設計，球閥仍使用浮動式結構，在原有浮動式的基礎上，將出口端閥座也改為浮動式閥座，即浮動球、雙浮動閥座的結構，打破了以往浮動球固定式閥座的概念。如圖5所示，無論介質從哪邊進入閥體，球體在介質推力的作用下，推往出口端閥座，進口端閥座也將在預緊彈簧的作用和介質的作用下，始終與球體貼合，當有反向壓的存在時，球體將推向閥前閥座，原后閥座將繼續與閥芯貼合。該設計無論正反壓的存在，前后閥座都始終與閥芯貼合。杜絕了介質進入密封副的可能，提高了閥門的使用壽命。

2）基體選材及密封面硬化處理：針對S-zorb裝置高壓差、高沖刷及高溫等苛刻的工況，結合進口閥門基體材質軟，涂層厚度薄的缺陷，本設計閥座與閥芯都采用機械性能優異的Inconel 718表面滲硼處理，Inconel718合金是含鈮、鉬的沉淀硬化型鎳鉻鐵合金，在650℃以下時具有高強度、良好的韌性以及在高低溫環境均具有耐腐蝕性。固溶處理后硬度能達到HB360左右，遠高于304，316等奧氏體不銹鋼。

圖6 弓形球口Fig.6 Bow mouth ball

密封面硬化方式采用滲硼處理，滲硼后，表面形成雙相型(FeB+Fe2B)滲硼層；化合物層之下為硼在鐵素體和滲碳體中的固溶體a(B)和Fe3(C，B)。滲硼層硬度高(達1500 HV～1800HV)，耐磨性比滲碳、淬火層高3倍以上，且加熱至700℃仍維持HV900以上的高硬度。在硫酸、稀鹽酸、醋酸、堿和海水中，滲硼層的耐蝕性與不銹鋼相近。基體滲硼具有無脫落，保證球體表面完整無缺陷。

采用高強度Inconel 718作為基體材質，在球體沖擊閥座時，減少了球體的變形量，同時，采用超寬R形閥座密封面設計，同球體R相同，具有自清理球面粘雜物，提高了使用壽命，同時增大了受壓面積，降低了單位面積的受力。在密封面處理上，滲硼工藝遠優異于傳統的表面冷噴及熱噴工藝，硬度、耐磨性能、耐蝕性能都有較大的提高。

3）弓形球口的設計：在S-Zorb裝置中，高壓差下帶來的密封面磨損一直是該裝置耐磨球閥亟待解決的問題，特別是在閥門剛開啟時，閥座與球體脫離極小，造成節流，形成噴射狀介質，而介質中含有大量的硬質顆粒催化劑，極易造成對球口的沖刷磨損。因此，在該裝置中一般閥門的啟閉時間要求都比較短，減少對球口的沖刷時間。

針對該工況，對球口部位進行了特殊的設計，在球口處采用弓形切除處理，與閥座同圓心的圓弧切除部分球口，如圖6所示：在閥座開啟瞬間，瞬時流量相比傳統結構提高了3倍以上，極大地降低了球口的沖刷。閥座切口的存在，增加了球口的厚度，也延長了球體的使用壽命。

4）傳動機構及彈簧的防護：在S-Zorb裝置中大量吸附劑與油氣的存在，極易造成催化劑顆粒進入傳動及彈簧腔室等部位，造成閥門開關卡滯。這是所有工況惡劣，特別是介質為顆粒、高粘度等耐磨球閥的共性問題。催化劑顆粒進入軸套間隙中，與油氣、水汽等凝結在閥桿及軸套內表面，軸套與介質形成干磨，損傷閥桿表面，同時隨著凝結物的增加，閥桿與軸套的間隙越來越小，導致閥門卡滯直至卡死。介質進入彈簧腔室，造成的堆積將造成彈簧失效，導致閥座無浮動量，密封副間進入介質，形成泄露。

圖7 弓形口開啟瞬間Fig.7 Bow mouth opening moments

因此在針對該裝置的苛刻工況，將軸套與彈簧腔室進行防塵設計，在軸套下部加裝密封填料、同時利用填料函及軸套壓緊填料，阻止介質進入軸套與閥桿之間。閥座后彈簧腔室采用獨特的防塵結構，如圖5所示，在彈簧的前部與后部都設有填料密封結構，彈簧單獨形成一個彈簧腔室，防止了介質進入，從而保護了彈簧。也保證了閥座的浮動量，使閥座始終能緊貼球體，確保密封。

4 結語

本文主要分析了S-Zorb耐磨球閥在裝置運用中存在的問題以及在改進的方案。

1）為了解決雙向壓引起介質進入密封副的問題，采用了浮動球、雙浮動閥座設計。

2）為了減少高壓差下，催化劑顆粒對球口的沖刷，采用了弓形球口的設計。

3）采用Inconel718為基體，表面滲硼作為密封面處理。提供了球體基體的耐沖擊性能以及球體表面的硬度和耐磨性能。

4）軸套及彈簧各處的防塵設計，防止介質進去彈簧腔室及軸套引起閥門開關卡滯。

隨著S-Zorb裝置應用的越來越廣泛，在油品升級中扮演著越來越重要的作用，如何最大限度的延長程控球閥使用壽命和是裝置運行平穩的關鍵因素之一，為降低開工成本，提高生產效率，S-Zorb裝置程控球閥國產化研究勢在必行。

[1]朱云霞.S-Zorb技術的完善與發展[J].煉油技術與工程,2013,(39)08.

[2]張昆.程控球閥在S-Zorb裝置上的應用[J].煉油技術與工程,2013,(43)10.