摘要

以典型项目钛合金硬密封球阀为例，介绍了PTA用钛合金硬密封球阀的技术现状、设计标准等。对密封结构进行设计，并计算所需密封力。结合理论计算进行有限元分析，对钛合金硬密封球阀的阀座密封结构和密封比压进行设计与分析研究。

1 概述

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PTA是对苯二甲酸乙二醇酯，主要用于生产聚酯。聚酯纤维是合成纤维最主要的品种，在世界合成纤维总产量中占将近80%的比例。在中国，以聚酯为原料生产的聚酯纤维已经在合成纤维总产量中超过80%。因此，PTA产品需求旺盛，PTA产业中所需的各类机械、设备等同样市场前景广阔 。

PTA生产的整个过程伴随高温，精制反应温度高于280℃，氧化反应温度高于180℃，尾气处理催化焚烧温度高于300℃，蒸汽温度更是高于350℃。另外，高压也是PTA生产装置所要面临的挑战。在PTA生产过程中，精制反应需要高于8MPa的压力，物料预热所用蒸汽压力高达9.5MPa，氢气压力也高于9.0MPa。在PTA生产过程中，主要介质为各种浓度的醋酸和氢溴酸，并伴有PTA固体物料，这些介质具有很强的腐蚀性，且容易沉积和堵塞。由以上分析可见，PTA生产环境极为苛刻。

阀门作为PTA生产装置的关键部件，其运行可靠性直接关乎整个装置和周边环境安全，由于钛合金的耐热性和耐腐蚀性特点，在PTA生产装置中被广泛应用。钛合金阀门产品被大量应用于PTA生产装置，主要的钛合金阀门类型以球阀和止回阀为主。目前，国内满足PTA装置生产条件的金属密封阀门大部分依赖进口。随着PTA装置在国内大规模建造投产，钛合金硬密封阀门产品的设计和研制成为发展趋势，钛合金硬密封球阀产品作为PTA装置发展的关键设备被广泛关注。

2 国内PTA钛合金硬密封球阀现状

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我国从国外引进PTA生产线初期，PTA生产装置用钛制管线、设备与阀门绝大部分都依赖进口。其中钛制阀门主要以日本或德国产为主。在PTA装置引进初期，国产钛制阀门在设计、钛材质量、钛零部件表面硬化、密封填料、钛材关键零部件精密加工等方面与国外有较大差距。

近年来，我国钛材行业材料和装备制造技术水平突飞猛进，PTA生产装置用钛制管线与容器设备已全面实现国产化。虽然国内阀门行业制造技术水平近几年也快速提高，但目前国内PTA生产装置用钛制阀门尤其是大口径钛合金硬密封球阀还主要依赖于进口。

国产钛制阀门主要用于PTA生产装置到期维修换装，或小口径、中低压非关键部位。国内部分阀门厂的钛制阀门制造技术已接近国际水平，如苏州纽威阀门股份有限公司、中阀科技股份有限公司、西安泵阀总厂、中船重工七二五所等。但是具有大规格钛合金硬密封球阀供货能力的仅中船重工七二五所一家单位。该企业分别于2013年和2020年两次获得PTA项目用大规格钛合金阀门的国产化供货资格，供货产品主要包括钛合金硬密封球阀和钛合金截止止回阀，规格涵盖1/2″-18″，极大地推动了PTA生产装置用钛制阀门的国产化应用。

3 PTA用钛合金阀门设计标准

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国际上针对钛及钛合金阀门产品的相关标准尚不完备，国内PTA用钛合金阀门的设计、制造和测试多依据美国标准，仅部分标准件采用国标类型。主要采用的现行设计标准有：API 6D管线阀门；API 608法兰端、螺纹端和焊接端金属球阀；MSS SP-72 法兰端或对焊端通用球阀；API 594法兰式、凸耳式、对夹式及对焊连接式止回阀；API 602石油天然气工业用公称尺寸小于和等于DNl00的钢制闸阀、截止阀和止回阀；API 609双法兰式、凸耳式和对夹式蝶阀；API 599法兰、螺纹和焊接端连接金属旋塞阀；API 600石油天然气工业用螺栓连接阀盖钢制闸阀；API 603法兰端和对焊端耐腐蚀栓接阀盖闸阀。主要采用的测试标准有：API 598阀门的检测和试验；API 607 1/4周旋转阀门和非金属阀座阀门的耐火试验；API 6FA阀门的耐火试验规范；ISO15848 工业阀门微泄漏量、试验和鉴定程序。

4 密封结构的设计及密封力计算

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由于PTA装置高温、高压、高腐蚀的工艺特性，球阀球体和阀座一般都采用钛合金材料，球阀的密封形式为金属硬密封。为了避免出现金属“咬死”现象，要求球体和阀座金属滑动接触面要存在一定的硬度差。在实际生产运营中，球体和阀座的硬度差一般在5～10HRC之间，以保证球阀具有较长的使用寿命。与阀座相比，球体的加工工艺较复杂，加工成本相对较高，因此，从经济性方面考虑，应使球体的表面硬度比阀座的表面硬度高。

确保钛合金硬密封球阀在球体启闭过程中与阀座的密封副摩擦不产生磨损或划伤情况是该类阀门研究的关键。通常采取钛合金球体、阀座密封面的表面硬化处理的方法提高其表面硬度和耐磨性。不同于钢制零部件，钛合金零部件产品的表面处理工艺技术相对单一，且要求表面硬化层具有耐腐蚀、耐高温、耐磨等特性。国内目前主要采用的工艺技术是渗氮+TiN的复合工艺路线，但是目前该技术工艺较不稳定，在进行球阀的开关过程中容易出现硬化层的脱落和划伤现象。为了确保球阀开启关闭过程中硬化层不损伤且保证良好的密封，需要对其密封比压进行计算分析，以获得有效密封的最小比压。本文以10″300Lb钛合金硬密封球阀为例对其密封结构进行分析，并对密封比压进行计算。

4.1 密封结构的设计

10″300Lb钛合金硬密封球阀采用固定球结构，阀座与球体采用钛合金加工而成，密封副采用表面硬化处理工艺以提升其耐磨性和表面硬度，密封结构主要由球体、阀座、O圈、石墨密封环和碟簧组成，结构如图1所示。阀座密封面采用刮刀结构设计，球体转动过程中可以刮净球体表面的杂质或颗粒物，在低压运行状态下，通过碟簧提供预紧力实现球体阀座的低压密封；当有介质流通时，在介质压力和碟簧预紧力共同作用下，将阀座推向球体，实现球体与阀座之间的可靠密封。

图1 密封结构示意图

4.2 密封力的计算

图2 阀座结构尺寸示意

密封力Q以及流体压力在阀座密封面上产生的作用力Q0按如下公式计算：

式中Q——固定球阀的密封力

Q0——流体压力在阀座密封面上产生的作用力

Q1——碟簧预紧力

QMJ——流体静压力在阀座密封面上的作用力

QJ——流体静压力在阀座密封面余隙中的作用力

流体静压力在阀座密封面上的作用力QMJ计算公式如下：

流体静压力在阀座密封面余隙中的作用力QJ计算公式如下：

碟簧预紧力Q1计算公式如下：

密封比压的计算按照如下公式计算：

式中 q——密封面计算比压，MPa

qmin——最小预紧比压，取2MPa

p——设计压力，MPa

DMW——阀座密封面外径，mm

DMN——阀座密封面内径，mm

DJH——阀座密封活塞外径，mm

依据设计手册，球阀的密封面计算比压应满足如下条件：

式中 [q] ——密封面许用比压，MPa

数值见表1

qMF——密封面的必须比压，MPa

设计手册中针对钛合金材质的许用比压并没有相关的试验数值，本文研究的钛合金硬密封球阀球体阀座硬化层硬度可达1000HV。因此，许用比压参考渗氮钢的数值，将10″300Lb钛合金硬密封固定球阀的相关设计数据代入以上计算公式，计算得到密封面的计算比压为22MPa，满足式（7）的要求。

5 密封力分析

●完成10″300Lb钛合金硬密封球阀的密封力计算后，为了验证其结构的合理性和计算的准确性，对其阀座密封结构进行有限元分析，主要针对阀座与球体的密封比压进行分析，球体和阀座选用ASME B381 F5锻件加工制造而成，材料的物理性能参数见表2。

5.1 建立分析模型

在进行密封比压分析之前对10″300Lb钛合金硬密封固定球阀模型进行简化，为准确地反应真实情况，有限元建模时应当尽量反应细节，但是在实际分析中往往很难实现，因而需要对模型进行简化处理。简化的原则是保留主干而忽略细节。例如，可忽略影响较小的倒角、倒圆、退刀槽，螺纹面直接画成柱面或将螺纹连接简化成固定连接，去掉复杂笨重的驱动系统，去掉阀体、阀杆、支架等不影响分析结果的零部件，只保留球体和阀座进行分析，考虑到球体阀座结构模型为对称结构，为了节省计算时间和减少计算量，建立模型的一半作为计算模型，简化后模型如图3所示。

图3密封比压分析模型

5.2 边界条件的设置

完成分析模型的建立后，通过有限元分析软件Workbench对模型进行网格划分，网格划分采用自适应类型，划分后的网格单元数为110472，节点数为198462。网格模型如图4所示。

图6 预紧力作用下密封面的应力分布

图7 额定压力作用下沿宽度方向应力分布

图8 额定压力作用下密封面的应力分云

图9 沿密封面宽度方向的比压变化曲线

通过对碟簧初始预紧力作用下的密封比压和额定工作压力下的密封比压进行分析，从图5~图9可以看出沿密封面宽度方向的等效应力主要集中在1.3~2.5MPa之间，与理论计算最小预紧比压qmin接近；额定工作压力下沿密封面宽度方向的线性分布等效应力主要集中在16.26~25.33MPa之间，与理论计算密封面计算比压q接近，从分析云图中可以看出沿密封面周向应力分布均匀，不存在沿宽度方向的受力不到位或缺陷情况，满足钛合金硬密封球阀的密封要求。

6 结语

●通过以上分析和计算，可以得出以下结论：

（1）可以看出钛合金硬密封固定球阀在额定工作压力下的密封比压主要由介质压力提供，因此，为确保钛合金硬密封球阀球体阀座硬化层的完整性，在调试过程中尽量避免带压开关阀门。

（2）通过计算和分析得到的结果接近，偏差在14%-25%左右，主要原因与网格质量和模型质量有关，但对于钛合金硬密封球阀的密封比压研究具有很好的指导意义，分析结果可以为密封比压设计提供依据；通过对10″300Lb硬密封球阀的密封比压有限元分析，能够更加直观的反映密封面的受力情况，为结构优化设计和性能提升提供参考。

（3）为有效地避免钛合金硬密封球阀的反复开关引起的表面损伤情况，可以通过降低碟簧预紧力减小初始预紧比压的方法来实现，此方法要确保碟簧可提供≮1MPa的初始预紧力，同时保证额定压力下的计算密封比压≮必须比压。（转自阀门公众号）