旋塞閥是關閉件成塞形的旋轉閥，通過旋轉90°使閥塞上的通道口與閥體上的通道口相通或切斷，實現開啟和關閉的一種閥門。由于結構簡單，使用方便，適合經常啟閉的場合，傳統旋塞閥的密封靠機加工的金屬塞體與閥體間的直接接觸來實現，機械加工、裝配精度要求高，且密封性較差，啟閉力大，容易磨損，通常只用于低壓和小口徑的場合。氫氟酸烷基化裝置中的氫氟酸具有劇毒、強腐蝕性，對工藝、設備及原料等方面要求極其嚴格，若直接使用傳統的旋塞閥會造成氫氟酸泄漏，對環境和人的生命安全威脅極大，因此不能使用在氫氟酸烷基化裝置中。

     為了在烷基化裝置中安全可靠使用旋塞閥，筆者對旋塞閥的結構、密封以及材料進行研究，然后對閥體進行ANSYS強度分析，使旋塞閥可以安全可靠的使用在氫氟酸烷基化裝置中。

1 旋塞閥的設計和密封

1.1 旋塞閥的設計

旋塞閥（見圖1）的參數設計主要依靠實際經驗。該閥的設計條件：介質為HF+2.5%水；最高工作壓力p=3.88MPa；最高使用溫度t=260℃；接管通徑d=80mm。

圖1 旋塞閥外形圖

1.1.1　旋塞錐度的確定

旋塞（見圖2）夾角太小不是使塞子與閥體相互卡住，就是使塞子的旋轉發生困難。有文獻上是按比例來決定塞子錐體的錐度。總的來說，旋塞的錐度應保證旋塞與閥體間的自鎖，因而旋塞的半角Φ應滿足Φ≤β，β為旋塞與閥體的摩擦角，β=arctanfm，fm為摩擦系數，對于Ni-Cu合金和T8-8的密封副，當其表面的粗糙度Ra=0.2μm時，fm=0.04，對應的摩擦角β=2.2°，故取Φ=2°[2]，所以塞子的夾角確定為4°。

圖2 旋塞幾何形狀

1.1.2　塞子通道的設計

由《實用閥門設計手冊》可知，通道孔平均寬度b=0.57d，即45.6mm；通道孔長度h=2.5b，即114mm；為了減少進入旋塞的流體的阻力損失和水力損失，把旋塞孔上方的通道改用圓弧形，然后對通道的邊緣進行倒圓角。盡管通道的圓角引起的面積損失會產生一些誤差，但還是把塞子的通道面積看作是圖2中b和h的乘積，即A=hb=5198mm。

1.1.3　閥體主要結構尺寸的確定

1）結構長度

旋塞閥閥體的主要尺寸如圖3所示，其中L為閥體的結構長度，h1為高度，L1為方頭尺寸，L2為方頭高度。由于閥門尺寸比較大，采用法蘭連接。我國使用的閥體的結構長度是有一定標準的，只取出了所設計閥門通徑的數據，在公稱壓力PN2.5/4.0（PN4.0/5.0）下，法蘭連接旋塞閥的結構長度，如表1所示。

圖3　閥體主要尺寸

表1　法蘭連接旋塞閥的結構長度

由以上可知，本設計所取的結構長度為短系列，即283mm。

2）閥體厚度

對于閥體的壁厚，我國規定了最小壁厚（單位為mm），如表2所示。

用插值法可以得出閥體壁厚的最小值為6.65mm，考慮到HF的腐蝕，取最小壁厚為8mm.也可以參考有些文獻上推薦使用的最小壁厚。

式中δ的單位為mm；p為公稱壓力，MPa；σ為應力，σ=570MPa.

由上式得出δ=3.4mm.所以上面取的8mm符合條件。

表2　閥體的最小壁厚

3）其他主要尺寸閥體的其他主要尺寸同樣也由旋塞閥的公稱尺寸確定，如表3所示。

表3　閥體其他主要尺寸

由表3用插值法可以得出h=142mm，L1=38mm，L2=36mm。

1.2 閥門各部件的選材

由于使用條件是高溫高壓，而且介質是有很強腐蝕性和毒性的氫氟酸，為了提高閥門的抗腐蝕性能，同時兼顧設備的經濟性，旋塞閥應采用整體制造生產。monel合金在所有濃度和所有溫度的氫氟酸中耐腐蝕，即穩定性很突出，而且受流速影響小，因此泵、閥門等處于流速較高的條件下的設備和零件采用monel合金更合適。但monel合金需要進口，且成本高昂，所以用華升公司的HS-1合金。在HF烷基化裝置系統中，該合金能很好地滿足設計要求.整體Ni-Cu合金閥門的閥體、閥蓋和閥塞均采用HS-1品級的鑄造Ni-Cu合金，由《壓力容器材料實用手冊———特種材料》可知其化學成分和質量分數為Ni：67%，Fe：1.4%，C：0.15%，Cu：30%，其余1.45%；機械性能中抗拉強度σb=600～880MPa，屈服強度σs=390～840MPa，伸長率η=10%～35%，硬度HBS=160～250。

由于介質高溫高壓，而且具有很強的腐蝕性，旋塞閥其他主要部件（見圖4）的選材也要耐高溫耐腐蝕，一般密封件都為聚四氟乙烯，但其不耐高溫，只能適用于<150℃的環境，所以，在這里使用耐高溫的不銹鋼18-8作為密封墊片。其他部件的用材分別如下：閥蓋、金屬膜片和填料壓蓋均為Ni-Cu合金，墊片為柔性石墨，密封膜片為PTEE/F46。

圖4　旋塞閥結構圖

1.3 旋塞閥密封性

HF烷基化裝置中，由于液化石油氣易燃易爆，溫度壓力都很高，而且催化劑HF有很強的腐蝕性和毒性，勞動保護要求較高，所以旋塞閥的密封性能就要求比較高，為了提高密封性，對傳統的旋塞閥做了改進（見圖4）。

該閥密封特點如下：在整個旋塞閥腔內部和端面壓入一個特制的PFA密封襯套，利用閥體上的倒梯形溝槽和旋塞與密封套緊密貼合，達到很好的密封效果.在閥桿密封裝置的下部為一柔性石墨墊片，上面還有一個PTEE/F46密封膜片，最上面用Ni-Cu合金金屬膜片蓋住，利用壓蓋將Ni-Cu合金金屬膜片、PTEE/F46密封膜片和柔性石墨墊片與閥體壓緊，防止HF通過閥體泄漏。閥桿上還裝有一個填料壓蓋，壓蓋下部裝有一圈柔性石墨填料，借助螺栓將其壓緊，一方面使填料在閥桿上受擠壓，一方面將上述兩膜片和墊片壓入旋塞與閥桿連接處的深槽內，形成反唇密封。這種密封借助于閥內壓力可以起到自封的作用，可以有效防止HF的泄漏。另外，密封裝置中的柔性石墨填料和墊片在萬一發生火災時，耐熱的柔性石墨能夠防止閥內的介質泄漏。閥體與管子連接處也是容易發生泄漏的地方，所以對其也要進行密封設計。由于閥體尺寸較大，所以端面采用法蘭與管道連接，而密封襯套的外圍又用金屬纏繞墊進行密封，進一步加強了密封。

2 閥體的強度分析

對烷基化裝置中的各部件的安全性要求較高，尤其是高溫高壓條件下的烷基化裝置，所以旋塞閥的安全性不容忽視。而閥體是旋塞閥中的關鍵件，閥體的安全性、可靠性直接決定整個產品的安全性、可靠性。所以，為了檢驗其可靠性，設計完畢后對閥體的強度進行了分析。用來校核閥體強度的工具是商用軟件ANSYS。

閥體內表面力的分布一般較為復雜，分析時將閥體內壁面載荷看成在小面積區域內受到的靜壓大小均勻分布，方向垂直于壁面。將Fluent計算出的對應小面域的數值解施加為壓強載荷，近似模擬閥體內壁實際壓強場的分布情況。利用ANSYS計算閥體的主應力，閥門材料為Ni-Cu合金，彈性模量E=173kN/mm2，泊松比μ=0.32，密度ρ=8.8g/cm3，采用solid95單元，此單元能應用于不規則形狀而沒有精確度損失，有適當的位移協調形狀，適于模擬曲線邊界。該單元由20個節點定義而成，每個節點有3個移動自由度：節點x，y和z方向的位移，具有空間的任意方向。較為清晰地描述出閥體在設計工況下不同部位的應力分布情況.閥體的應力分布見圖5。其局部放大圖，見圖6。

圖5　閥體應力圖

圖6　部位1的局部放大圖

從圖上可看出，圖5的1處存在著較高的應力水平，是閥體最容易破壞及最危險的部位，也是在設計與鑄造加工時需要格外注意的地方。從ANSYS計算結果分析可知，在設計工況下，其最大拉應力為157MPa。根據《壓力容器材料使用手冊》計算得知HS-1合金的許用應力為165MPa，最大拉應力小于材料的許用應力，滿足強度條件。

3 結論

1）該旋塞閥閥桿處采用多層和多結構密封，更加安全可靠。與普通旋塞閥相比，該閥門具有良好的密封性能和防腐蝕性能，并具有防火作用，啟閉力矩小，開關靈活，能滿足烷基化裝置中的生產要求。

2）經過ANSYS分析結果表明，閥體的主要應力集中部位就是閥缸與通道的連接處，這為閥門的設計和鑄造生產工藝提供了可靠的依據。在設計時應注意減小這里的應力集中，適當增加厚度來減小失效的可能性。

3）閥內部的整體襯套浪費材料，為了使襯套更好貼合在閥體內壁，需要在閥體內部加工出幾處工藝槽，增加了加工工藝，這里以后有待改進。