一、前言
    烷基化裝置中的催化劑氰氟酸具有劇毒、強腐蝕性，對工藝、設備及原料等方面要求極其嚴格，裝置安全長周期，運行難度很大。由于運行成本高，經濟效益不明顯，國內僅剩幾套裝置在繼續生產。高溫高壓下的氫氟酸汽化為氣體，更易對人體造成傷害。所以保證烷基化裝置中各零件的密封性和可靠性相當重要。普通旋塞閥靠精加工的金屬塞體與閥體間的直接接觸來密封，所以密封性較差，啟閉力大，容易磨損，通常只用于低壓強（不高于1MPa）和小口徑（小于100mm）的場合。為了擴大旋塞閥的應用范圍，已經研制出了許多新型結構。旋塞閥（如圖1所示）的設計參數：介質：HF+2.5%水；最高工作壓力：p=3.88MPa；最高使用溫度：T=260℃。為了保證其可靠性和安全性，必須提高閥門的使用壽命和降低閥門的泄漏，以保證人身和環境安全。

圖1 旋塞閥外形圖

    二、旋塞閥的設計
    設計條件是：介質：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80mm。
    1.塞子通道的設計
    塞子的夾角通常制成4°，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，如圖2所示。但也有文獻上是按比例來決定塞子錐體的錐度，塞體的主要尺寸和計算方法見表1。

表1 旋塞通道孔面積的設計與計算

    為了減小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成圓弧形，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（為了不使幾何圖形復雜，圖中沒有畫出圓角），但實際上還是把塞子的通道面積看作是圖2中Wd和Hd的乘積。

圖2 旋塞幾何形狀

    2.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。由于閥門尺寸比較大，采用法蘭連接。而根據《使用閥門設計手冊》中可以看到，我國使用的閥體的結構長度是有一定標準的，這里只取出了適合所設計閥門通徑的數據，見表2。

表2 法蘭連接旋塞閥的結構長度

注：表中黑體所示的尺寸優先選用。

    由以上可知，本設計所取的結構長度為短系列，即283mm。

圖3 閥體主要尺寸

    （2）閥體厚度
    對于閥體的壁厚，我國規定了最小壁厚（見表3）。

表3 閥體的最小壁厚

    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壁厚計算公式，如：
    tm=1.5pcd/（2S－1.2pc）
    式中        
    tm——閥體必要的最小厚度，單位為in（1in=25.4mm，下同）；
    pc——公稱壓力，單位為psi（1psi=6.895kPa）；
    d——內徑，單位為in；
    S——應力，S=7000psi。
    把本文中的單位化為上式所要求的單位后：pc=562.6psi，d=2.4in，帶入上式得tm=0.101in，即2.6mm。所以上面取的8mm符合條件，之后通過對閥體強度校核發現，該厚度依然滿足強度要求。
    （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通徑確定，數據見表4。

表4 閥體其他主要尺寸 （mm）

    由表4用插值法可以得出H=142，S=38，Q=36。
    三、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，為了提高閥門的耐蝕性，同時兼顧設備的經濟性，旋塞閥應采用Ni-Cu合金整體制造生產。Ni-Cu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Ni-Cu合金更合適。在HF烷基化裝置系統中，該合金能很好地滿足設計要求，達到比較可靠的勞動保護效果。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，其化學成分（%）和力學性能見表5。
    表5HS－1的化學成分和力學性能旋塞閥其他主要部件的選材分別如下：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。

表5 HS-1的化學分成和力學性能

    四、旋塞閥密封性
    HF烷基化裝置中，由于液化石油氣易燃易爆，而催化劑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，如圖4所示。

1.金屬纏繞墊2.密封襯套3.閥體4.墊片5.密封膜片6.金屬膜片
7.填料壓套8.閥蓋9.調節盤10.填料11.定位板12.螺栓13.閥塞
圖4 旋塞閥結構圖

    密封機理如下：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。閥桿與塞體為整體結構，簡化了制造工藝。如圖4所示，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，最上面用一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入大氣。
    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。
    五、結論
    1）這種旋塞閥閥桿處的密封更加安全可靠，閥內整體襯套有效防止了內部泄漏、減少了工藝損失。與普通旋塞閥相比，該閥門具有良好的密封性能和耐蝕性，并具有防火作用，啟閉力矩小，開關靈活好用，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，為了使襯套更好地貼合在閥體內壁，需要在閥體內部加工出幾處工藝槽，增加了加工工藝。