PSA 程控截止閥閥體設計研究

鐘建輝

（西南化工研究設計院有限公司雙流分公司，四川 成都 610000）

1 PSA 程控截止閥概述

PSA（Pressure Swing Adsorption 簡 稱PSA）技術簡介：變壓吸附是一種新型氣體吸附分離技術，始創于20 世紀60 年代初，并于20 世紀70 年代實現工業化生產。20 世紀80 年代，PSA 技術得到迅速的發展，與傳統的深冷空分裝置相比，PSA 具有啟動時間短、開停車方便、能耗較小、運行成本低、自動化程度高、維護簡單、占地面積小、土建費用低、應用范圍廣等特點。20 世紀90 年代以來，變壓吸附技術逐漸被國內廣泛應用，為相關產業鏈帶來了巨大的效益。PSA 程控截止閥是一種用于控制工業管道中的流量、壓力和流體溫度等參數的自控閥門，主要應用于化學工業、制藥工業、石油化工等領域。其作用是通過自控裝置對閥門的控制從而實現對介質的流量、壓力、溫度進行自動調節和控制，實現PSA 既定的工藝目的。一般而言，PSA 裝置設備的結構主要由壓力容器、吸附床、各種進出口閥門、壓縮機、冷卻器、加熱器、控制系統等組成。其中對流體進行溫度、壓力、流量調節的重要組件就是各類程控閥門，故程控閥門是PSA 裝置中的最關鍵的控制部件之一，程控閥的質量好壞對整個PSA 裝置有著至關重要的影響。為了提升程控閥閥門整體質量，必須了解PSA 程控截止閥的主要特點：（1）密封性能好，能達到零泄漏標準；（2）執行動作快、壽命長，質量穩定性高；（3）適合用于易燃、易爆、有毒、重粉塵等的惡劣工作環境；（4）具備雙向耐壓性和抗高速氣流沖刷性能；（5）易實現調節功能和閥位狀態顯示，現場指示及運轉等功能。

程控閥閥體是程控閥的最核心的零部件，其制造工藝包含了鑄造、焊接、機加工、熱處理、表面處理等復雜特殊的生產過程，相對程控截止閥的其他零部件，其設計計算內容多、加工工藝復雜、難度較大。程控截止閥“腰鼓型”閥體參見圖1。

圖1 程控截止閥閥體結構

2 PSA 截止閥WCB 材質閥體結構設計計算

2.1 閥體材質的選擇

閥體的材料選用原則有四個方面：第一，強度、剛性、可靠性、安全性；第二，耐腐蝕性，須保證適應多種流體介質和環境特性的應用場景；第三，寬泛的溫度適應性。材料的耐溫性不好，會導致密封失效或因熱膨脹和收縮而導致泄露，嚴重影響使用安全、產品質量以及裝置的穩定運行；第四，材料的可焊接性能，閥體密封座一般是需要堆焊的，且部分鍛造閥體在裝配時需要進行焊接法蘭，因焊接是特種作業過程，其作業難度較大，質量穩定性相較于其他加工更差，因此材料的焊接性能越好，其整體質量可靠性越高。在實際應用中，常用的閥體材料有鑄鐵、鑄鋼、不銹鋼、鈦合金等。為了兼顧經濟性、使用可靠性和環境適應性，一般選擇鑄鋼、不銹鋼，如WCB、304、321 等牌號的鋼材。當然，設計閥體時也應該考慮顧客條件和第三方條件，綜合決定設計閥體的選材，本文就選擇以WCB 為例[1]。

2.2 閥體外形的選擇

根據目前PSA閥門常用的國標GB/T 12235-2007《石油、石化及相關工業用鋼制截止閥和升降式止回閥》中截止閥圖中閥體的典型結構都為腰鼓形。“∽”胖形截止閥閥體已經很少見，若無特殊要求，新設計截止閥可使用腰鼓形閥體。采用腰鼓型閥體較可以使得閥體外形的設計更加適合鑄造工藝的流道設計，以達到最優鑄造質量，減少閥體鑄造缺陷，本文就選擇以腰鼓型閥體為例。

2.3 閥體連接方式和結構長度的選擇

一般來講，閥體的連接方式有：法蘭連接、焊接端連接、外螺紋連接、內螺紋連接等。根據本公司生產的PSA 裝置特點，本文選擇法蘭連接的方式，結構長度按照GB/T12221-2005《法蘭連接截止閥、節流閥及止回閥結構長度》進行選擇。

2.4 閥體流通能力簡述

PSA 閥門流通能力是閥門的重要指標之一，因為流通能力對PSA 裝置的產出及采購成本影響較大，故設計閥體時應著重考慮閥體中介質的流道設計，以保證最大的流通能力，才能盡可能保證整套PSA 裝置的采購支出和最終產品的產能的增加。

3 PSA 截止閥閥體設計計算（以CL300 12”為例）

3.1 設計工藝環境參數的選擇

本文按照如下工藝參數對閥門進行設計，著重強調閥體的結構設計，設計參考工藝參數如下。工藝介質C02等無腐蝕性氣體；操作溫度：-20℃～100℃；環境溫度-20℃～40℃；操作壓力：5MPa；最大壓差：3MPa，選擇閥門本體CL300 12”，正反向可開啟壓差分別是0和0.5MPa；正反向可密封壓差分別是0 和3MPa，閥體法蘭標準HG/T 20615-2009RF。閥門本體材質：WCB。

3.2 閥體壁厚的設計和計算

本文采用WCB 材質的鑄鋼閥體，根據GB26640-2011《閥門殼體最小壁厚要求規范》，查詢可知最小參考壁厚為20.6mm，設計初選21mm。閥體壁厚計算參照《實用閥門設計手冊》[2]，具體如下：（1）計算壓力Pn：5MPa；（2）公稱直徑設計給定Dn：300mm；（3）腐蝕余量C 設計給定4mm；（4）計算厚度tB'=p*Dn/{{2.3*﹝σl﹞-p}+C}=20.5mm；（5）許用拉應﹝σl﹞查WCB 材料《實用閥門設計手冊》[3]即得92MPa；（6）實際厚度tB設計初選21mm；（7）最小厚度tB''查詢GB26640-2011，取得20.6mm。

3.3 閥體密封面的設計計算

本文采用WCB 材質的鑄鋼閥體，閥體本體為鑄鋼，閥座密封面是在本體WCB 材質面上堆焊507MoNb 與閥芯為PEEK 平面接觸式密封，根據《實用閥門設計手冊》[4]對閥體閥座進行校核，具體如下：（1）密封面內徑、密封面寬度DMN、bM設計給定值305mm、2.5mm；（2）密封面上必須比壓qMF查《實用閥門設計手冊》[5]可得8MPa；（3）計算壓力p 設計給定值0.5MPa；（4）密封面上總作用力FMZ=FMF+FMJ=56424N；（5）密封面處介質作用力FMJ=【π*（DMN+bM）2*p】/4=37113N；（6）密封面上密封比壓FMF=π*（DMN+bM）*bM*qMF=19311N；（7）密封面上密封比壓q=FMZ/【π*（DMN+bM）*bM】=23.4MPa；（8）密封面許用比壓﹝q﹞查《實用閥門設計手冊》[6]為50MPa；經上計算：qMF≤q ≤﹝q﹞為合格，故設計的密封副符合要求。

對于閥門整體設計而言，本文省略其他相關計算過程。

3.4 中法蘭強度的設計計算

確定了螺栓的載荷后，便可以根據《實用閥門設計手冊》[7]對閥體中法蘭強度進行計算和校核。雖然法蘭連接結構簡單，但至今還沒有統一的計算方法，許多國家都有各自的計算標準或者法規。我國GB/T17186.1-2015《管法蘭連接計算方法 第1 部分：基本強度和剛度的計算方法》規定了用于管道上使用的Class 系列管法蘭，推薦采用符合GB/T9124.2、GB/T13402、GB/T17241、GB/T15530 規定的Class 系列管法蘭；但僅限于各標準內的尺寸及壓力～溫度額定值。設計的閥門閥體中法蘭符合以上標準中的各項條件時，一般不需要計算。但不符合其規定條件的，應根據設計實際情況進行強度和剛度的校核，本閥門閥體的中法蘭的設計不符合上述標準情況，需要進行計算校核，本文中涉及的中法蘭為鑄造一體式，為整體鋼法蘭的應力計算和校核，計算圖示如圖2，具體如下：（1）常溫時比值系數n=FL/﹝σW﹞=622.1mm2；（2）計算載荷F=FL=379502N；（3）螺栓計算載荷FL通過雙頭螺柱強度計算得出的值379502N；（4）許用彎曲應力查《實用閥門設計手冊》[8]得σW=610 MPa；（5）I-I 斷面彎曲應力σWΙ=FL/WΙ=99MPa；（6）力臂l1=（D1-Dm）/2=29.5mm；（7）螺栓孔中心圓直徑D1=194mm設計給定；（8）中法蘭根徑DⅡ=135mm 設計給定；（9）斷面系數WΙ=π*Dmh2/6=113040mm3；（10）中法蘭強度h=40mm 設計給定；（11）Ⅱ-Ⅱ斷面彎曲應力σWⅡ=0.4*F*l2/WⅡ=541.8MPa；（12）力臂l2=l1+（Dm-Dn）/4=35.75mm；（13）公稱直徑設計給定Dn：110mm；（14）斷面系數WⅡ=π*（Dm+Dn）*（（Dm-Dn/2）2）/12=10016.9mm3。

圖2 中法蘭處設計計算示意圖

通過上述計算，可以得到σWΙ＜﹝σW﹞且σWⅡ＜﹝σW﹞，設計所初選的尺寸符合中法蘭尺寸要求。通過中法蘭計算后，加之選用的中法蘭墊片和中法蘭螺栓尺寸，可選擇中法蘭外圓的最小尺寸，且符合設計計算要求。對于閥門整體設計而言還需要依據《實用閥門設計手冊》[9]對閥蓋進行強度計算，本文將省略該步驟。

4 閥體結構設計的方法

依據設計計算結果中的參數，結合相關資料參數，使用3D 設計軟件進行PSA 閥體的圖樣繪制和分析，優化閥體結構。如圖1 所示，按照GB/T12224-2015《鋼制閥門壁厚及連接尺寸》、HG20592-20635《鋼制管法蘭、墊片、緊固件》[10]《實用閥門設計手冊》[11]《鑄造工藝學》[12]等標準中的數據，結合上述計算結果選擇適宜的壁厚、兩端法蘭內外徑、中法蘭內外徑、三個法蘭的止口、中法蘭高度、中法蘭厚度等尺寸。按照不同鑄造受委方的工藝要求，結合砂模鑄造的特點，選擇閥體的“端法蘭”，“中法蘭”上下模拔模角度為1°～7°，可滿足鑄造工藝要求，且能保證產品的經濟型采購要求。為保證鑄造工藝可執行，在設計閥體時，應保證閥體壁厚的尺寸及其公差一致性，和非壁連接的倒角尺寸≥10mm，以免因設計缺陷造成閥體壁厚尺寸及與壁厚銜接處的各個閥體部位過渡不順暢，導致閥體鑄造時的液態金屬在不同的厚度處流動性不足和熱積累現象，造成閥體鑄造缺陷（如澆不足、夾渣、氣孔等）。由于閥體計價以重量計算，在鑄造工藝允許范圍內最大限度地減少拔模角度，可最大限度地減輕閥體鑄造重量，控制鑄造閥體的鑄造成本。之后我們可以利用三維軟件SolidWorks 進行圖形繪制，充分利用信息化軟件的優勢，在軟件配置圖紙屬性、尺寸屬性、快速鏈接進行系列化設計，優化提升設計效率。

閥體的最小流通面積的確定。從圖3 閥體結構上可以看出，影響該類型結構閥體流通能力的地方有兩個，分別是閥體的進出口端中間閥座隔板與上下壁之間的兩個位置，我們如何確定哪個面對應的流通面積最小呢?要搞清楚這個問題，我們必須知道設計閥體時中間閥座隔板倒角的半徑尺寸和閥體上下腔體壁厚的半徑尺寸。從圓的特性可知，鏈接兩圓的圓心延長至壁厚處的距離是最短的，故其與閥體壁厚面所形成的封閉面的面積 是最小的，進而得到閥體的兩端口最小流通面積。

圖3 腰鼓型閥體最小流通面積示意圖

按《閥門設計手冊》[13]中關于閥體流通面積的要求，理論上講流通面積越大、阻流面積越小則流通能力越強。但受制于閥體切斷流體的結構原理不同，實際情況一般是達不到100%的流通能力的。通過物理流通能力試驗，一般設計在80%～95%Dn（“Dn”為公稱直徑）即可滿足閥體流通能力設計需要。本文中的閥體最小流通面積為公稱通徑的90%，完全能滿足該通徑閥門的流體流通要求。繼而設計完成閥體。

5 結語

依從PSA 裝置的運行環境，結合相關標準、資料及經驗數據引用、確定各類設計參數，再通過3D 設計軟件可快速且直觀地設計、優化閥體結構，是解決實際設計問題的一種有效的途徑和手段，對制定PSA 閥門閥體相關設計流程的優化和設計效率的提升都有積極的意義。