旋塞閥是關(guān)閉件成塞形的旋轉(zhuǎn)閥，通過旋轉(zhuǎn)90°使閥塞上的通道口與閥體上的通道口相通或切斷，實(shí)現(xiàn)開啟和關(guān)閉的一種閥門。由于結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，適合經(jīng)常啟閉的場合，傳統(tǒng)旋塞閥的密封靠機(jī)加工的金屬塞體與閥體間的直接接觸來實(shí)現(xiàn)，機(jī)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(qiáng)腐蝕性，對工藝、設(shè)備及原料等方面要求極其嚴(yán)格，若直接使用傳統(tǒng)的旋塞閥會(huì)造成氫氟酸泄漏，對環(huán)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(jié)構(gòu)、密封以及材料進(jìn)行研究，然后對閥體進(jìn)行ANSYS強(qiáng)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(shè)計(jì)和密封

　　1.1 旋塞閥的設(shè)計(jì)

　　旋塞閥的參數(shù)設(shè)計(jì)主要依靠實(shí)際經(jīng)驗(yàn)。該閥的設(shè)計(jì)條件：介質(zhì)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。

　　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(zhuǎn)發(fā)生困難。有文獻(xiàn)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(yīng)保證旋塞與閥體間的自鎖，因而旋塞的半角Φ應(yīng)滿足Φ≤β，β為旋塞與閥體的摩擦角，β=arctanfm，fm為摩擦系數(shù)，對于Ni-Cu合金和T8-8的密封副，當(dāng)其表面的粗糙度Ra=0.2μm時(shí)，fm=0.04，對應(yīng)的摩擦角β=2.2°，故取Φ=2°，所以塞子的夾角確定為4°。

　　1.1.2　塞子通道的設(shè)計(jì)

　　由《實(shí)用閥門設(shè)計(jì)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(jìn)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(jìn)行倒圓角。盡管通道的圓角引起的面積損失會(huì)產(chǎn)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(jié)構(gòu)尺寸的確定

　　1）結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)長度是有一定標(biāo)準(zhǔn)的，只取出了所設(shè)計(jì)閥門通徑的數(shù)據(jù)，在公稱壓力PN2.5/4.0（PN4.0/5.0）下，法蘭連接旋塞閥的結(jié)構(gòu)長度，如表1所示。

　　由以上可知，本設(shè)計(jì)所取的結(jié)構(gòu)長度為短系列，即283mm。

　　2）閥體厚度

　　對于閥體的壁厚，我國規(guī)定了最小壁厚（單位為mm）。

　　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(xiàn)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(yīng)力，σ=570MPa.

　　由上式得出δ=3.4mm.所以上面取的8mm符合條件。

　　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。

　　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(zhì)是有很強(qiáng)腐蝕性和毒性的氫氟酸，為了提高閥門的抗腐蝕性能，同時(shí)兼顧設(shè)備的經(jīng)濟(jì)性，旋塞閥應(yīng)采用整體制造生產(chǎn)。monel合金在所有濃度和所有溫度的氫氟酸中耐腐蝕，即穩(wěn)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(shè)備和零件采用monel合金更合適。但monel合金需要進(jìn)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(tǒng)中，該合金能很好地滿足設(shè)計(jì)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(shí)用手冊———特種材料》可知其化學(xué)成分和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為Ni：67%，F(xiàn)e：1.4%，C：0.15%，Cu：30%，其余1.45%；機(jī)械性能中抗拉強(qiáng)度σb=600～880MPa，屈服強(qiáng)度σs=390～840MPa，伸長率η=10%～35%，硬度HBS=160～250。

　　由于介質(zhì)高溫高壓，而且具有很強(qiáng)的腐蝕性，旋塞閥其他主要部件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(huán)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。